HDFS優(yōu)化面臨新挑戰(zhàn),如何按照數(shù)據(jù)冷熱程度進(jìn)行分層存儲(chǔ)

? ? ? ? 人們常常使用HDFS作為存儲(chǔ)服務(wù)的核心，大數(shù)據(jù)的實(shí)用性和發(fā)展對(duì)于企業(yè)來(lái)講都是很重要的。而在大數(shù)據(jù)發(fā)展之初，最主要的應(yīng)用場(chǎng)景仍然是離線批處理場(chǎng)景，對(duì)存儲(chǔ)的需求追求的是吞吐量，HDFS正是針對(duì)這樣的場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的，而隨著技術(shù)不斷的發(fā)展，越來(lái)越多的場(chǎng)景會(huì)對(duì)存儲(chǔ)提出新的需求，HDFS也面臨著新的挑戰(zhàn)。主要包括幾個(gè)方面：

　　1、數(shù)據(jù)量問(wèn)題

　　一方面隨著業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)和新的應(yīng)用接入，會(huì)給HDFS帶來(lái)更多的數(shù)據(jù)，另一方面隨著深度學(xué)習(xí)，人工智能等技術(shù)的發(fā)展，用戶通常希望能保存更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，以提升深度學(xué)習(xí)的效果。數(shù)據(jù)量的快速增加會(huì)使集群不斷面臨擴(kuò)容需求，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)成本不斷增加。

　　2、小文件問(wèn)題

　　眾所周知，HDFS的設(shè)計(jì)是針對(duì)離線批處理大文件的，處理小文件并非傳統(tǒng)HDFS擅長(zhǎng)的場(chǎng)景。HDFS小文件問(wèn)題的根源在于文件的元數(shù)據(jù)信息都是維護(hù)在單點(diǎn)Namenode的內(nèi)存中，單臺(tái)機(jī)器的內(nèi)存空間始終是有限的。據(jù)估算，單臺(tái)namenode集群能容納系統(tǒng)文件數(shù)量極限大約在1.5億左右。實(shí)際上，HDFS平臺(tái)通常作為底層存儲(chǔ)平臺(tái)服務(wù)于上層多種計(jì)算框架，多個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，所以小文件問(wèn)題從業(yè)務(wù)的角度也難以避免。目前也有方案例如HDFS-Federation解決Namenode單點(diǎn)擴(kuò)展性問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)巨大的運(yùn)維管理難度。

　　3、冷熱數(shù)據(jù)問(wèn)題

　　隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長(zhǎng)積累，數(shù)據(jù)也會(huì)呈現(xiàn)出訪問(wèn)熱度不同的巨大差異。例如一個(gè)平臺(tái)會(huì)不斷地寫(xiě)入最新的數(shù)據(jù)，但通常情況下最近寫(xiě)入的數(shù)據(jù)訪問(wèn)頻率會(huì)比很久之前的數(shù)據(jù)高很多。如果無(wú)論數(shù)據(jù)冷熱情況，都采用同樣的存儲(chǔ)策略，是對(duì)集群資源的一種浪費(fèi)。如何根據(jù)數(shù)據(jù)冷熱程度對(duì)HDFS存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

????????? 現(xiàn)有HDFS優(yōu)化技術(shù)

　　從Hadoop誕生到今天也有超過(guò)10年的時(shí)間，在此期間HDFS技術(shù)本身也在不斷優(yōu)化演進(jìn)。HDFS現(xiàn)有一些技術(shù)能夠一定程度上解決上述一些問(wèn)題。這里簡(jiǎn)要介紹一下HDFS異構(gòu)存儲(chǔ)和HDFS糾刪碼技術(shù)。

　　HDFS異構(gòu)存儲(chǔ)：

　　Hadoop從2.6.0版本開(kāi)始支持異構(gòu)存儲(chǔ)功能。我們知道HDFS默認(rèn)的存儲(chǔ)策略，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)塊，采用三個(gè)副本的存儲(chǔ)方式，保存在不同節(jié)點(diǎn)的磁盤(pán)上。異構(gòu)存儲(chǔ)的作用在于利用服務(wù)器不同類(lèi)型的存儲(chǔ)介質(zhì)（包括HDD硬盤(pán)、SSD、內(nèi)存等）提供更多的存儲(chǔ)策略（例如三個(gè)副本一個(gè)保存在SSD介質(zhì)，剩下兩個(gè)仍然保存在HDD硬盤(pán)），從而使得HDFS的存儲(chǔ)能夠更靈活高效地應(yīng)對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景。

　　HDFS中預(yù)定義支持的各種存儲(chǔ)包括：

　　ARCHIVE：高存儲(chǔ)密度但耗電較少的存儲(chǔ)介質(zhì)，例如磁帶，通常用來(lái)存儲(chǔ)冷數(shù)據(jù)

　　DISK：磁盤(pán)介質(zhì)，這是HDFS最早支持的存儲(chǔ)介質(zhì)

　　SSD：固態(tài)硬盤(pán)，是一種新型存儲(chǔ)介質(zhì)，目前被不少互聯(lián)網(wǎng)公司使用

　　RAM_DISK ：數(shù)據(jù)被寫(xiě)入內(nèi)存中，同時(shí)會(huì)往該存儲(chǔ)介質(zhì)中再（異步）寫(xiě)一份

　　HDFS中支持的存儲(chǔ)策略包括：

　　Lazy_persist：一個(gè)副本保存在內(nèi)存RAM_DISK中，其余副本保存在磁盤(pán)中

　　ALL_SSD：所有副本都保存在SSD中

　　One_SSD：一個(gè)副本保存在SSD中，其余副本保存在磁盤(pán)中

　　Hot：所有副本保存在磁盤(pán)中，這也是默認(rèn)的存儲(chǔ)策略

　　Warm：一個(gè)副本保存在磁盤(pán)上，其余副本保存在歸檔存儲(chǔ)上

　　Cold：所有副本都保存在歸檔存儲(chǔ)上

　　總體上HDFS異構(gòu)存儲(chǔ)的價(jià)值在于，根據(jù)數(shù)據(jù)熱度采用不同策略從而提升集群整體資源使用效率。對(duì)于頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，將其全部或部分保存在更高訪問(wèn)性能的存儲(chǔ)介質(zhì)（內(nèi)存或SSD）上，提升其讀寫(xiě)性能;對(duì)于幾乎不會(huì)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，保存在歸檔存儲(chǔ)介質(zhì)上，降低其存儲(chǔ)成本。但是HDFS異構(gòu)存儲(chǔ)的配置需要用戶對(duì)目錄指定相應(yīng)的策略，即用戶需要預(yù)先知道每個(gè)目錄下的文件的訪問(wèn)熱度，在實(shí)際大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用中，這是比較困難的一點(diǎn)。

　　HDFS糾刪碼：

　　傳統(tǒng)HDFS數(shù)據(jù)采用三副本機(jī)制保證數(shù)據(jù)的可靠性，即每存儲(chǔ)1TB數(shù)據(jù)，實(shí)際在集群各節(jié)點(diǎn)上占用的數(shù)據(jù)達(dá)到3TB，額外開(kāi)銷(xiāo)為200%。這給節(jié)點(diǎn)磁盤(pán)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了很大的壓力。

　　在Hadoop3.0開(kāi)始引入支持HDFS文件塊級(jí)別的糾刪碼，底層采用Reed-Solomon（k，m）算法。RS是一種常用的糾刪碼算法，通過(guò)矩陣運(yùn)算，可以為k位數(shù)據(jù)生成m位校驗(yàn)位，根據(jù)k和m的取值不同，可以實(shí)現(xiàn)不同程度的容錯(cuò)能力，是一種比較靈活的糾刪碼算法。

　　常見(jiàn)的算法為RS（3，2）、RS（6，3）、RS（10，4），k個(gè)文件塊和m個(gè)校驗(yàn)塊構(gòu)成一個(gè)組，這個(gè)組內(nèi)可以容忍任意m個(gè)數(shù)據(jù)塊的丟失。

　　HDFS糾刪碼技術(shù)能夠降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余度，以RS（3，2）為例，其數(shù)據(jù)冗余度為67%，相比Hadoop默認(rèn)的200%大為減少。但是糾刪碼技術(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)恢復(fù)都需要消耗cpu進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上是一種以時(shí)間換空間的選擇，因此比較適用的場(chǎng)景是對(duì)冷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)往往一次寫(xiě)入之后長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有訪問(wèn)，這種情況下可以通過(guò)糾刪碼技術(shù)減少副本數(shù)。

　　大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)化：SSM

　　前面介紹的無(wú)論HDFS異構(gòu)存儲(chǔ)還是糾刪碼技術(shù)，前提都是需要用戶對(duì)特定的數(shù)據(jù)指定存儲(chǔ)的行為，就是說(shuō)用戶需要知道哪些數(shù)據(jù)是熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，哪些是冷數(shù)據(jù)。那有沒(méi)有一種方法可以自動(dòng)對(duì)存儲(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化呢？

　　答案是有的，這里介紹的SSM（Smart Storage Management）系統(tǒng)，它從底層存儲(chǔ)（通常是HDFS）中獲取元數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)訪問(wèn)信息分析獲取數(shù)據(jù)熱度情況，針對(duì)不同熱度的數(shù)據(jù)，按照預(yù)先制定的一系列規(guī)則，采用相應(yīng)的存儲(chǔ)優(yōu)化策略，從而提升整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。SSM是一個(gè)由Intel主導(dǎo)的開(kāi)源的項(xiàng)目，中國(guó)移動(dòng)也參與其中的研發(fā)，項(xiàng)目可以在Github中獲取到：https://github.com/Intel-bigdata/SSM 。

　　SSM定位是一個(gè)存儲(chǔ)外圍優(yōu)化的系統(tǒng)，整體上采用Server-Agent-Client的架構(gòu)，其中Server負(fù)責(zé)SSM整體邏輯的實(shí)現(xiàn)，Agent用于對(duì)存儲(chǔ)集群執(zhí)行各種操作，Client是提供給用戶的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，通常其中包含了原生HDFS的接口。

　　SSM-Server的主要框架如上圖所示，從上到下，StatesManager與HDFS集群進(jìn)行交互，用于獲取HDFS元數(shù)據(jù)信息，并維護(hù)每個(gè)文件的訪問(wèn)熱度信息。StatesManager中的信息會(huì)持久化到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中。在SSM中采用TiDB作為底層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)。RuleManager維護(hù)和管理規(guī)則相關(guān)信息，用戶通過(guò)前臺(tái)界面為SSM定義一系列存儲(chǔ)規(guī)則，RuleManger負(fù)責(zé)規(guī)則的解析和執(zhí)行。CacheManager/StorageManager根據(jù)熱度和規(guī)則，生成具體的action任務(wù)。ActionExecutor 負(fù)責(zé)具體的action任務(wù)，把任務(wù)分配給Agent，并在Agent節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。

　　SSM-Server內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)依賴于規(guī)則的定義，需要管理員通過(guò)前臺(tái)web頁(yè)面為SSM系統(tǒng)制定一系列規(guī)則。一條規(guī)則包括幾部分組成：

　　操作對(duì)象，通常是指符合特定條件的文件。

　　觸發(fā)器，指規(guī)則觸發(fā)的時(shí)間點(diǎn)，例如每天定時(shí)觸發(fā)。

　　執(zhí)行條件，定義一系列基于熱度的條件，例如文件在一段時(shí)間訪問(wèn)次數(shù)計(jì)數(shù)要求。

　　執(zhí)行操作，對(duì)符合執(zhí)行條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)操作，通常是指定其存儲(chǔ)策略等。

　　一個(gè)實(shí)際的規(guī)則示例：

　　file.path matchs ”/foo/*”： accessCount（10min） 》= 3 | one-ssd

　　這條規(guī)則表示對(duì)于在/foo目錄下的文件，滿足10分鐘內(nèi)被訪問(wèn)次數(shù)不低于三次，則對(duì)其采用One-SSD的存儲(chǔ)策略，即數(shù)據(jù)一個(gè)副本保存在SSD上，剩余2個(gè)副本保存在普通磁盤(pán)上。

　　SSM應(yīng)用場(chǎng)景

　　SSM能夠針對(duì)數(shù)據(jù)的冷熱程度，采用不同存儲(chǔ)策略進(jìn)行優(yōu)化，以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

　　最典型的場(chǎng)景就是針對(duì)冷數(shù)據(jù)，如上圖所示，定義相關(guān)規(guī)則，將較長(zhǎng)時(shí)間為沒(méi)有訪問(wèn)的數(shù)據(jù)采用更低成本的存儲(chǔ)。例如原先的數(shù)據(jù)塊，從SSD存儲(chǔ)退化到HDD存儲(chǔ)。

　　與此類(lèi)似，對(duì)于熱點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同樣可以根據(jù)不同的規(guī)則，對(duì)其采用更快速的存儲(chǔ)策略，如上圖所示，短時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)此處較多的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，會(huì)從HDD存儲(chǔ)上升至SSD存儲(chǔ)，更熱點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)采用內(nèi)存存儲(chǔ)的策略。

　　針對(duì)冷數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，SSM也可以采用糾刪碼的優(yōu)化，通過(guò)定義相應(yīng)規(guī)則，對(duì)于訪問(wèn)次數(shù)很少的冷數(shù)據(jù)，對(duì)其執(zhí)行erasure code操作，降低數(shù)據(jù)副本冗余。

　　另外值得一提的是SSM針對(duì)小文件也有相應(yīng)優(yōu)化手段，這個(gè)功能仍然處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中。大體邏輯是SSM會(huì)對(duì)HDFS上一系列小文件執(zhí)行合并成大文件的操作，同時(shí)，在SSM的元數(shù)據(jù)中記錄下原始小文件和合并后大文件的映射關(guān)系以及每個(gè)小文件在大文件中的偏移量。當(dāng)用戶需要訪問(wèn)小文件時(shí)，通過(guò)SSM特定的客戶端（SmartClient），根據(jù)SSM元數(shù)據(jù)中的小文件映射信息，從合并后的文件中獲取到原始小文件。