基于Hadoop构建对象存储系统

基于 Hadoop 构建对象存储系统

By 云深作者: Terry/Alen/Adam/ SeymourZ

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前言

 

l          云计算领域目前有两大代表性系统: Google Amazon ,它们各自的存储系统为 Google GFS Amazon S3 ,都提供高可靠性、高性能、高可扩展性的存储能力

 

l          Hadoop HDFS 就是 Google GFS 存储系统的开源实现,主要应用场景是作为并行计算环境( MapReduce )的基础组件,同时也是 Bigtable (如 HBase HyperTable )的底层分布式文件系统。 Hadoop HDFS 也有自身的局限性,虽然作为分布式文件系统称谓,但它并不适合所有的应用场合。如:单点 namespace 问题,小文件问题等,早有阐述。 http://www.cloudera.com/blog/2009/02/

 

l          Amazon S3 作为一个对象存储系统运营,为客户提供 1 5G 任意大小的对象(文件)存储,从有限的资料来看, S3 没有采用 GFS 的类似的体系架构,也不对外提供完整的文件系统呈现,更多的是一种对象存储访问的形式。

 

l          既然 Hadoop HDFS 适合处理和存储大块的文件,我们是否也可以把 HDFS 作为一种容器看待,通过上层抽象,对外提供类似 Amazon S3 一样的对象存储功能呢?答案我想是肯定的,下面就讨论基于 Hadoop 开源项目,构建一个高可靠,高性能、高扩展性的对象存储系统,实现类似 Amazon S3 的用户接口。

 

系统架构

 

-1 系统架构

 

系统组成:

 

对象访问接口层( Access Edge

§          提供客户端 Lib ,供上层应用调用 ;

§          提供 REST SOAP 接口,支持 web 业务的访问。

 

对象元数据存储层( MetaData Storage

§          实现对象操作业务逻辑,包括:

1.          Bucket 创建;

2.          Bucket 删除;

3.          Bucket 信息查询;

4.          对象创建;

5.          对象元数据信息查询;

6.          对象删除;

7.          对象元数据修改;

§          负责对象元数据的管理和维护,基于 Hbase 实现,由 Hbase 实现系统的扩展和高可靠性

 

对象实体数据存储 (DataNode)

§          提供对象数据的可靠存储;

§          提供对象归档文件的存储;

§          基于 HDFS ,支持数据冗余

 

归档管理 (Archive Management)

§          零散的小对象文件的归档;

§          归档文件的存储管理;

§          失效对象的磁盘空间回收;

§          归档文件的再归档;

§          相关元数据信息的修改;

 

元数据存储子系统

采用 Bigtable HBase )的结构化存储系统,提供 Mata Data 存储:

 

可用 Object 元数据表结构

列名

类型

备注

Object 标识符

字符串

Row key

格式:

Usr:bucket:full path

用户自定义元数据

字符串

<key value> 列表

格式: Key0 value0|key1:value1|…

归档标志

Bool

标识 object 文件是否已被归档

数据位置描述

字符串

格式: Hdfs://filepath:offset:size

最后修改时间

时间戳

标识元数据版本

 

已删除 Object 元数据表结构

列名

类型

备注

Object 标识符

字符串

Row key

格式:

Usr:bucket:full path

归档标志

Bool

标识 object 文件是否已被归档

数据位置描述

字符串

格式:

Hdfs://filepath:offset:size

 

Bucket 信息表结构

列名

类型

备注

bucket 标识符

字符串

Row key

格式:

Usr:bucket

用户自定义元数据

字符串

<key value> 列表

格式: Key0 value0|key1:value1|…

Max space

int64

Bucket 允许的最大空间

Used space

int64

Bucket 已使用的空间

注: RowKey 的设计,应该为系统处理提供最合适的索引

HDFS 中对象数据的存储形式

对象在 HDFS 中存储有两种形式:

§          对象文件 —— 每个文件对应一个对象,对象创建时存储到对象存储系统 中的形态;

  •  
    • 归档文件 —— 为了减少 HDFS 中小文件的数据,将小的对象文件和归档文件归档。

HDFS 中目录结构:

§          /data_dir-|-/object_dir/-|-obj_file0

                      |                    |-obj_file1

                      |

                      |-/arch_dir/-|-arch_file0

                                         |-arch_file1

 

 基于Hadoop构建对象存储系统_第1张图片

-2 HDFS 上的对象数据存储

 

Bucket 的创建和删除

Bucket 创建:

1、   Bool Create Bucket(user_id, buck_name, buck_size, );

2、   MetaData Storage 查询 Bucket 信息表确定是否已经存在相同的 user bucket 记录 ;

3、   如果 Bucket 信息表中不存在相同的 user Bucket 记录,则在表中插入一条 user bucket 记录 ;

4、   返回 True 或者 False 表示操作成功与否

 

Bucket 删除:

1、   Bool DropBucket(user_id, buck_name);

2、   MetaData Storage 查询 Bucket 信息表确定是否已经存在相同的 user bucket 记录 ;

3、   如果 Bucket 信息表中存在相同的 user Bucket 记录,则查询 ObjectMeta 表确定 Bucket 是否为空;

4、   Bucket 为空,则删除 Bucket 信息表中对应的记录;

5、   返回 True 或者 False 表示操作成功与否;

 

 基于Hadoop构建对象存储系统_第2张图片

-3 Bucket 的创建和删除

对象的创建

  1.  
    1. Client 提交创建对象请求 create_obj_req(usr,bucket,obj_key,obj_meta);
    2. 检查 user Bucket 的合法性,要求存在、可访问、容量允许;生成对象在 HDFS 中的对象文件的 URI
    3. 返回对象文件 URI
    4. 将对象数据写入 HDFS 的对象文件;
    5. 通知 MetaData Storage 对象数据存储完成;
    6. 更新对象元数据索引信息,包括:

     对象元数据信息插入;

     Bucket 的已使用空间大小,对于同一个对象的多个版本,以最新版本空间大小为准;

  1.  
    1. 返回创建对象成功。

 

-4 对象的创建

对象的删除

  1.  
    1. Client 提交删除对象请求 delete_obj_req(usr,bucket,obj_key);
    2. 检查 user Bucket 的合法性,要求存在、访问权限;不合法则返回失败;
    3. User Bucket 检查通过,则进行如下处理:

     删除对象在元数据表中的信息;

     将删除对象及其在 hdfs 中的路径信息存入到已删除对象表中;

     更新 Bucket 使用空间大小;

           对象删除时,对象可能有两种存储形态:

  1.  
    1. 对象文件 —— Archive Management 归档处理时,会直接删除无效的该文件;
    2. 归档文件的一部分 —— Archive Management 对磁盘利用率低的归档文件压缩处理时,删除该数据;

 

 

-5 对象的删除

 

小文件的归档管理

该部分主要由周期性执行的 MapReduce 任务完成;有以下几个处理流程:       

  •  
    1. 对象归档
    2. 扫描元数据信息表,统计未归档的对象信息,包括在 HDFS 中的 URI 、对象大小等;
    3. 根据配置的归档文件大小限制,对统计所得的对象进行分组;
    4. 将每个分组中的对象文件合并到一个归档文件中;
    5. 更新相关对象元数据信息表中的数据位置描述项;
    6. 删除旧的对象文件;

 

 基于Hadoop构建对象存储系统_第3张图片

-6 小文件的归档

 

归档文件的压缩

  1.  
    1. 扫描已删除对象表,统计无效对象信息;
    2. 对于未归档的无效对象文件,直接删除;
    3. 将已归档的无效对象按照归档文件分组;
    4. 统计涉及到的归档文件的空间利用率;
    5. 统计利用率利用率低于阈值的每个归档文件中所有有效对象信息;
    6. 将归档文件中的有效对象数据合并到一个新的归档文件中;
    7. 更新相关对象元数据信息表中的数据位置描述项;
    8. 删除旧的归档文件;

 

 基于Hadoop构建对象存储系统_第4张图片

-7 归档文件的压缩

 

归档文件的再归档

1.        扫描归档文件列表,统计占用磁盘空间低于阈值的归档文件;

2.        根据归档文件大小配置参数,将统计所得归档文件分组;

3.        统计各分组归档文件涉及到的对象;

4.        将每个分组中的归档文件合并到一个归档文件;将归档文件中的有效对象数据合并到一个新的归档文件中;

5.        更新相关对象元数据信息表中的数据位置描述项;

6.        删除旧的归档文件;

 

 基于Hadoop构建对象存储系统_第5张图片

-8 归档文件的再归档

 

总结语

基于 Hadoop 实现类似 Amazon S3 的对象存储系统,有一定的先天优势,例如 Hadoop HDFS 作为数据存储的容器,解决了数据冗余备份的问题; Hadoop 的半结构化的存储系统 HBase 可以支撑 MetaData 的存储,同时解决了 MetaData 存储层的可靠性和可扩展性等问题。 HDFS 天生不能适合存储大量小文件的缺陷,可以使用 MapReduce 处理架构在后台提供对象归档管理功能( Hadoop 已经有了 HAV 的功能,只是没有平台化),使得 HDFS 仍然存储自己喜欢的“大文件”。这种基于 Hadoop 实现的对象存储系统,并不能保证在现阶段达到和 Amazon S3 一样的服务效率,但随着 Hadoop 系统的不断完善(例如 HDFS 访问效率的提高, Append 功能的支持等),相信也能有不俗的表现。

 

 

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