HDFS3.x新特性EC是什么

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EC介紹

Erasure Coding 簡稱EC，中文名：糾刪碼

EC（糾刪碼）是一種編碼技術(shù)，在HDFS之前，這種編碼技術(shù)在廉價磁盤冗余陣列（RAID）中應用最廣泛(RAID介紹：大數(shù)據(jù)預備知識-存儲磁盤、磁盤冗余陣列RAID介紹)，RAID通過條帶化技術(shù)實現(xiàn)EC，條帶化技術(shù)就是一種自動將 I/O 的負載均衡到多個物理磁盤上的技術(shù)，原理就是將一塊連續(xù)的數(shù)據(jù)分成很多小部分并把他們分別存儲到不同磁盤上去，這就能使多個進程同時訪問數(shù)據(jù)的多個不同部分而不會造成磁盤沖突（當多個進程同時訪問一個磁盤時，可能會出現(xiàn)磁盤沖突），而且在需要對這種數(shù)據(jù)進行順序訪問的時候可以獲得最大程度上的 I/O 并行能力，從而獲得非常好的性能。在HDFS中，把連續(xù)的數(shù)據(jù)分成很多的小部分稱為條帶化單元，對于原始數(shù)據(jù)單元的每個條帶單元，都會計算并存儲一定數(shù)量的奇偶檢驗單元，計算的過程稱為編碼，可以通過基于剩余數(shù)據(jù)和奇偶校驗單元的解碼計算來恢復任何條帶化單元上的錯誤。

HDFS數(shù)據(jù)冗余存儲策略

HDFS的存儲策略是副本機制，這種存儲方式使得數(shù)據(jù)存儲的安全性得到提高，但同時也帶來了額外的開銷，HDFS默認的3副本方案在存儲空間和其他資源（如網(wǎng)絡帶寬）上有200%的額外開銷，但是對于I/O活動相對較低的數(shù)據(jù)，在正常期間很少訪問其他塊副本，但是仍然消耗與第一個副本相同的資源量。因此，HDFS 3.x版本一個重大改進就是使用糾刪碼（EC）代替副本機制，糾刪碼技術(shù)提供了與副本機制相同的容錯能力，而存儲空間卻少得多。在典型的糾刪碼（EC）設置中，存儲開銷不超過50%。

EC算法實現(xiàn)原理

EC的實現(xiàn)算法有很多種，較為常見的一種算法是Reed-Solomon（RS），它有兩個參數(shù)，記為RS(k,m)，k表示數(shù)據(jù)塊，m表示校驗塊，有多少個校驗塊就最多可容忍多少個塊（包括數(shù)據(jù)塊和校驗塊）丟失，具體原理通過如下例子解釋：

我們使用RS(3,2)，表示使用3個原始數(shù)據(jù)塊，2個校驗塊
例：有 7、8、9 三個原始數(shù)據(jù)，通過矩陣乘法，計算出來兩個校驗數(shù)據(jù) 50、122。這時原始數(shù)據(jù)加上校驗數(shù)據(jù)，一共五個數(shù)據(jù)：7、8、9、50、122，可以任意丟兩個，然后通過算法進行恢復

矩陣乘法

GT是生成矩陣，RS(k,m)的生成矩陣就是m行k列的矩陣
Data代表原始數(shù)據(jù)，7,8,9代表原始數(shù)據(jù)塊
Parity代表校驗數(shù)據(jù)，50,122代表校驗數(shù)據(jù)塊

所以3個原始數(shù)據(jù)塊，如果使用2個校驗塊，EC編碼總共占用5個數(shù)據(jù)塊的磁盤空間，與2副本機制占用6個數(shù)據(jù)塊的磁盤空間容錯能力相當。

EC的應用場景

將EC技術(shù)集成進HDFS可以提高存儲效率，同時仍提供與傳統(tǒng)的基于副本的HDFS部署類似的數(shù)據(jù)持久性。例如，一個具有6個塊的3副本文件將消耗 6 * 3 = 18 個磁盤空間。但是，使用EC(6個數(shù)據(jù)，3個校驗)部署時，它將僅消耗9個磁盤空間塊。

但是EC在編碼過程及數(shù)據(jù)重建期間會大量的使用CPU資源，并且數(shù)據(jù)大部分是執(zhí)行遠程讀取，所以還會有大量的網(wǎng)絡開銷。

所以，對于CPU資源緊張且存儲成本較低的情況下，可以采用副本機制存儲數(shù)據(jù)，對于CPU資源有剩余且存儲成本較高的情況下，可以采用EC機制存儲數(shù)據(jù)。

EC在HDFS的架構(gòu)

HDFS是直接使用Online EC（以EC格式寫入數(shù)據(jù)），避免了轉(zhuǎn)換階段并節(jié)省了存儲空間。Online EC還通過并行利用多個磁盤主軸來增強順序I / O性能。在具有高端網(wǎng)絡的群集中，這尤其理想。其次，它自然地將一個小文件分發(fā)到多個DataNode，而無需將多個文件捆綁到一個編碼組中。這極大地簡化了文件操作，例如刪除，磁盤配額以及namespaces之間的遷移。

在一般HDFS集群中，小文件可占總存儲消耗的3/4以上，為了更好的支持小文件，HDFS在第一階段支持條形布局（Striping Layout）的EC方案，目前HDFS連續(xù)布局（Contiguous Layout）方案也在進行中

• 條形布局：
  

優(yōu)點：

• 客戶端緩存數(shù)據(jù)較少

• 無論文件大小都適用

缺點：

• 會影響一些位置敏感任務的性能，因為原先在一個節(jié)點上的塊被分散到了多個不同的節(jié)點上

• 和多副本存儲策略轉(zhuǎn)換比較麻煩

• 連續(xù)布局：
  

  連續(xù)布局

優(yōu)點：

• 容易實現(xiàn)

• 方便和多副本存儲策略進行轉(zhuǎn)換

缺點：

• 需要客戶端緩存足夠的數(shù)據(jù)塊

• 不適合存儲小文件

傳統(tǒng)模式下HDFS中文件的基本構(gòu)成單位是block，而EC模式下文件的基本構(gòu)成單位是block group。以RS(3,2)為例，每個block group包含3個數(shù)據(jù)塊，2個校驗塊。

HDFS對于引入EC模式所做的主要擴展如下：

• NameNode：HDFS文件在邏輯上由block group組成，每個block group包含一定數(shù)量的內(nèi)部塊，為了減少這些內(nèi)部塊對NameNode內(nèi)存消耗，HDFS引入了新的分層塊命名協(xié)議?？梢詮钠淙魏蝺?nèi)部塊的ID推斷出block group的ID。這允許在塊組而不是塊的級別進行管理

• Client：客戶端讀取和寫入路徑得到了增強，可以并行處理block group中的多個內(nèi)部塊

• DataNode：DataNode運行額外ErasureCodingWorker（ECWorker）任務，用于對失敗的糾刪編碼塊進行后臺恢復。NameNode檢測到失敗的EC塊， 會選擇一個DataNode進行恢復工作。此過程類似于失敗時如何重新恢復副本的塊。重建執(zhí)行三個關鍵的任務節(jié)點：

1. 從源節(jié)點讀取數(shù)據(jù)：使用專用線程池從源節(jié)點并行讀取輸入數(shù)據(jù)?；贓C策略，對所有源目標的發(fā)起讀取請求，并僅讀取最少數(shù)量的輸入塊進行重建。

2. 解碼數(shù)據(jù)并生成輸出數(shù)據(jù)：從輸入數(shù)據(jù)解碼新數(shù)據(jù)和奇偶校驗塊。所有丟失的數(shù)據(jù)和奇偶校驗塊一起解碼。

3. 將生成的數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)侥繕斯?jié)點：解碼完成后，恢復的塊將傳輸?shù)侥繕薉ataNodes。

• 糾刪碼策略：為了適應異構(gòu)的工作負載，HDFS群集中的文件和目錄允許具有不同的復制和糾刪碼策略。糾刪碼策略封裝了如何對文件進行編碼/解碼。每個策略由以下信息定義：

1. EC模式：這包括EC組（例如6 + 3）中的數(shù)據(jù)和奇偶校驗塊的數(shù)量，以及編解碼器算法（例如Reed-Solomon，XOR）。

2. 條帶化單元的大小。這確定了條帶讀取和寫入的粒度，包括緩沖區(qū)大小和編碼工作。

我們可以通過XML文件定義自己的EC策略，該文件必須包含以下三個部分：

1. layoutversion：這表示EC策略XML文件格式的版本。

2. schemas：這包括所有用戶定義的EC模式。

3. policies：這包括所有用戶定義的EC策略，每個策略均由schema id和條帶化單元的大?。╟ellsize）組成。

Hadoop conf目錄中有一個配置EC策略的XML示例文件，配置時可以參考該文件，文件名稱為user_ec_policies.xml.template。

集群的硬件配置

糾刪碼對群集在CPU和網(wǎng)絡方面提出了其他要求：

1. 編碼和解碼工作會消耗HDFS客戶端和DataNode上的額外CPU。

2. 糾刪碼文件也分布在整個機架上，以實現(xiàn)機架容錯。這意味著在讀寫條帶化文件時，大多數(shù)操作都是在機架上進行的。因此，網(wǎng)絡二等分帶寬非常重要。

3. 對于機架容錯，擁有至少與配置的EC條帶寬度一樣多的機架也很重要。對于EC策略RS（6,3），這意味著最少要有9個機架，理想情況下是10或11個機架，以處理計劃內(nèi)和計劃外的中斷。對于機架少于條帶寬度的群集，HDFS無法保持機架容錯，但仍將嘗試在多個節(jié)點之間分布條帶化文件以保留節(jié)點級容錯。

最后

在HDFS默認情況下，所有的EC策略是被禁止的，我們可以根據(jù)群集的大小和所需的容錯屬性，通過hdfs ec [-enablePolicy -policy]命令啟用EC策略。例如，對于具有9個機架的群集，像RS-10-4-1024k這樣的策略將不會保留機架級的容錯能力，而RS-6-3-1024k或RS-3-2-1024k可能更合適。

在副本機制下，我們可以設置副本因子，指定副本的數(shù)量，但是在EC策略下，指定副本因子是沒有意義的，因為它始終為1，無法通過相關命令進行更改。

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