hadoop Federation（联邦）简介

Federation即为“联邦”，该特性允许一个HDFS集群中存在多个NameNode同时对外提供服务，这些NameNode分管一部分目录（水平切分），彼此之间相互隔离，但共享底层的DataNode存储资源。

在hadoop1.x中HDFS的架构

文件的存储是放在块上的（Block Storage）
文件的元数据是放在namenode上的，只有一个Namespace（命名空间）。随着HDFS的数据越来越多，单个namenode的资源使用必然会达到上限，而且namenode的负载能力也会越来越高，限制HDFS的性能。

hdfs主要有两层架构：
1.命名空间（namespace）
由目录、文件、块组成。
支持创建、删除、修改、列举命名空间相关系统的操作。
2.块的存储
管理Block（在datanode中的完成）
通过控制注册以及阶段性的心跳，来保证datanode的正常运行。
运行块的信息报该哦啊，维护块的位置信息。
创建、删除、修改、查询块。
管理副本和副本位置
存储：提供对块的读写（由namenode提供）

单namenode架构的局限性

1.NameSpace（命名空间的限制）
由于Namenode再内存中存储所有的元数据（metadata），因此单个Namenode所能存储的对象（文件+块）数目收到Namenode所在JVM的heap（堆） size的限制。50G的heap能够存储20亿个对象，这20亿个对象支持4000个datanode，12PB的存储（假设文件爱呢平均大小为40MB）。随着数据的飞速增长，存储的需求也随之增长。单个datanode从4T增长到36T，集群的尺寸增长到8000个datanode。存储的需求从12PB增长到大于100PB。（内存的限制）
2.性能的瓶颈
由于是单个Namenode的HDFS架构，因此整个HDFS文件系统的吞吐量受限于单个NameNode的吞吐量。
3.隔离问题
由于HDFS仅有一个Namenode，无法隔离各个程序，因此HDFS上的一个实验程序很可能影响整个HDFS上运行的程序。
4.集群的可用性
在只有一个Namenode的HDFS中，此Namenode的宕机无疑会导致整个集群的不可用。（低可用性）
5.Namespace和Block Management的紧密耦合
Hadoop 1.x在Namenode中的Namespace和Block Management组合的紧密耦合关系会导致如果想要实现另外一套Namenode方案比较困难，而且也限制了其他想要直接使用块存储的应用。

为什么纵向扩展目前的NameNode不可行？

比如将NameNode的Heap空间扩大到512GB。
1.启动问题，启动花费时间太长。（Hadoop 1.x具有50GB Heap Namenode的HDFS启动一次大概需要30分钟到2小时）
2.Namenode在Full GC时，如果发生错误将会导致整个集群宕机。
3.对大JVM Heap进行调试比较困难。优化Namenode的内存使用性价比比较低。

hadoop2.x

增加了Federation的概念

为什么要引入Federation

1.采用Federation的最主要的原因是简单，Federation能够快速的解决大部分单Namenode的问题。
2.Federation是简单鲁棒的设计，由于联邦中各个Namenode之间是相互独立的。Federation整个核心设实现大概用了3.5个月。大部分改变是在Datanode、Config和Tools，而Namenode本身的改动非常少，这样Namenode的原先的鲁棒性不会受到影响。比分布式的Namenode简单，虽然这种事先的扩展性比起真正的分布式的Namenode要小些，但是可以迅速满足需求。
3.Federation良好的向后兼容性，已有的单Namenode的部署配置不需要任何改变就可以继续工作。

Federation架构设计

• 为了水平扩展Namenode，Federation使用了多个独立的Namenode/NameSpace。这些Namenode之间是联合的，也就是说，他们之间相互独立且不需要互相协调，各自分工，管理自己的区域。分布式的datanode被用作通用的数据块存储存储设备。每个DataNode要向集群中所有的namenode注册，且周期性的向所有namenode发送心跳和块报告，并执行来自所有namenode的命令。
• 所谓Block Pool（块池）就是属于单个命名空间的一组block（块）。
• 每一个DataNode为所有的Block Pool存储块。DataNode是一个物理概念，而Block
  Pool是一个重新将block划分的逻辑概念。同一个datanode中可以存着属于多个Block Pool的多个块。
  
  • Block Pool允许一个命名空间在不通知其他命名空间的情况下为一个新的block创建Block ID。同时一个Namenode失效不会影响其下Datanode为其他Namenode服务。
  • 每个Block Pool内部自治，也就是说各自管理各自的block，不会与其他Block Pool交流。一个Namenode挂掉了，不会影响其他NameNode。
  • 当DN与NN建立联系并开始会话后自动建立Block Pool。每个block都有一个唯一的表示，这个表示我们称之为扩展块ID,在HDFS集群之间都是惟一的，为以后集群归并创造了条件。
  • DN中的数据结构都通过块池ID索引，即DN中的BlockMap，storage等都通过BPID索引。
  • 某个NN上的NameSpace和它对应的Block Pool一起被称为NameSpace Volume。它是管理的基本单位。当一个NN/NS被删除后，其所有DN上对应的Block Pool也会被删除。当集群升级时，每个NameSpace Volume作为一个基本单元进行升级。

Federation HDFS与Hadoop 1.xHDFS的比较

• Hadoop 1.xHDFS只有一个命名空间（Namespace），它使用全部的块。Federation HDFS中有多个独立的命名空间，并且每一个命名空间使用一个块池。
• Hadoop 1.xHDFS中只有一组块。而Federation HDFS中有多组独立的块。块池就是属于同一个命名空间的一组块。
• Hadoop 1.x HDFS由一个Namenode和一组DataNode组成。而Federation HDFS由多个Namenode和一组DataNode，每一个datanode回味多个块池存储块。

datanode改进

• 在datanode中，对应于每个Namenode都有一条相应的县城
• 每个DN回去每一个NN注册，并且周期性的给所有的NN发送心跳及DN的使用报告。
• DN还会给NN发送其所在的块池的快报告
• 由于有多个NN同时存在，因此任何一个NN都可以随时动态加入、删除和更新。

Namespace Volume（命名空间卷）

• 一个Namespace和它的块池合并在一起成为Namespace Volume。
• Namespace Volume是一个独立完整的管理单元。
• 当一个Namenode/Namespace被删除，与之相对应的块池也被删除。
• 在升级时，每一个Manespace Volume也会整体作为一个单元。

ClusterId

• 在HDFS Federation中添加了ClusterID用来区分汲取中的每一个节点。
• 当格式化一个Namenode时，这个Cluster Id会自动生成或者手动提供。
• 在格式化统一集群中其他Namenode时会用到这个ClusterID。

Federation的主要优点

1.namespace是一个可扩展的，相当于namenode是一个分布式的。
2.性能提升了，操作不会由于一个namenode的吞吐量收到限制。
3.隔离性。每个namenode只管理一部分文件 。不同用户可以被namespace隔离。

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感谢云帆大数据梦琪老师的讲解。