下一代大数据分布式存储技术Apache Ozone初步研究

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概述

定义

Apache Ozone 官网地址 https://ozone.apache.org/ 最新版本1.3.0

Apache Ozone 官网最新文档地址 https://ozone.apache.org/docs/1.3.0/

Apache Ozone 源码地址 https://github.com/apache/ozone

Apache Ozone是一个高度可扩展、冗余的分布式对象存储,适用于分析、大数据和云原生应用,以在Kubernetes等容器化环境中有效地工作。Ozone支持S3兼容的对象API以及Hadoop兼容的文件系统实现。它针对高效的对象存储和文件系统操作进行了优化。建立高可用性、可复制的块存储层的Hadoop分布式数据存储(Hadoop Distributed Data Store, hds),像Apache Spark, Hive和YARN这样的应用程序在使用Ozone时无需任何修改即可工作;Ozone附带了一个Java客户端库、S3协议支持和一个命令行接口。

Apache Ozone 可与Cloudera 数据平台(CDP) 一起使用,可以扩展到数十亿个不同大小的对象。它被设计为原生的对象存储,可提供极高的规模、性能和可靠性,以使用 S3 API 或传统的 Hadoop API 处理多个分析工作负载。Ozone其发展是准备替代HDFS的下一代的大数据存储系统,着力要解决的目前HDFS存在的问题如NameNode的扩展性和小文件的性能问题。

先回顾一下HDFS,HDFS通过把文件系统元数据全部加载到数据节点Namenode内存中,给客户端提供了低延迟的元数据访问。由于元数据需要全部加载到内存,所以一个HDFS集群能支持的最大文件数,受Java堆内存的限制,上限大概是4亿~5亿个文件。所以HDFS适合大量大文件[几百兆字节(MB)以上]的集群,如果集群中有非常多的小文件,HDFS的元数据访问性能会受到影响。虽然可以通过各种Federation技术来扩展集群的节点规模,但单个HDFS集群仍然没法很好地解决小文件的限制。

Ozone是新一代的对象存储系统,其架构设计简单的可以总结为:

  1. 基于Raft+RocksDB来实现了一个分布式的kv存储,使用该kv存储来实现独立的元数据的存储,使得元数据完成了高可用和scale out的高扩展性。
  2. 基于Raft实现了数据存储功能。数据实现高可用和扩展性。
  3. 数据块的元数据分了两层:SCM管理block,block在Container的布局的信息保存在DataNode本地的rocksdb中,这种设计对小文件比较好。

Ozone目前社区开发比较活跃;架构比较合理,在扩展性和小文件方面优异;其设计目标和应用场景也比较明确清晰:弥补HDFS的缺陷,替换HDFS在大数据领域的地位。

特性

  • 可伸缩的:Ozone旨在支撑数百亿甚至更多的文件和块。
  • 一致的:Ozone是一种强一致性的分布式存储,其一致性通过使用像RAFT这样的协议来实现。
  • 云原生:Ozone可以在YARN和Kubernetes这样的容器化环境良好运行。
  • 安全:Ozone与kerberos基础设施集成以实现访问控制,并支持TDE和在线加密。
  • 多协议支持:Ozone支持不同的协议,如S3和Hadoop文件系统API。
  • 高可用性:Ozone是一种完全复制的系统,可以在多次故障完美恢复。

架构

总体架构

Ozone主要设计要点是可扩展性,它的目标是扩展到数十亿个对象;Ozone将命名空间管理和块空间管理分开;命名空间由名为Ozone Manager (OM)的守护进程管理,块空间由Storage Container Manager (SCM)管理。Ozone命名空间由多个存储体组成。存储卷也被用作存储会计的基础;Ozone由volumes、buckets、keys组成:

  • volumes:类似于用户帐户;只有管理员可以创建或删除卷。
  • buckets:桶类似于目录。一个桶可以包含任意数量的键,但桶不能包含其他桶。
  • keys:类似于文件,Ozone将数据以键的形式存储在这些桶中。

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Ozone的核心组件:

  • 客户端:S3 Gateway 提供 s3 协议的客户端,Ozone FileSystem为兼容HDFS的文件系统客户端。

  • 元数据服务器

    • Ozone Manager(OM):用于管理系统的元数据,文件系统的对应的主要是inode和dentry的管理,对象系统元数据主要是user,bucket,object等。Ozone Manager通过Raft + RocksDB实现了元数据存储分布式的KV存储。Raft协议使用开源的Apache Batis来实现。底层的KV存储使用了基于LSM Tree的RocksDB来实现。由于RocksDB存储是对写比较友好的存储系统,读操作不太友好。因此OM在内存中做了相应的元数据缓存系统用于缓存经常访问的元数据,可以显著降低读操作的不友好的影响。
    • Storage Container Manager(SCM):集群和数据块管理,用于管理Data Node和数据Block相关的管理。
  • 数据服务器:Datanodes用于存储数据,Containers就是block的集合,用于存储数据,其分布在Data Node上。所有数据都存储在数据节点上。客户端以块的形式写数据。Datanode将这些块聚合到一个存储容器中。存储容器是客户端写的关于块的数据流和元数据。

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    • Containers是Ozone/ hdd的基本复制单元,它们由存储容器管理器(SCM)服务管理。容器是大的二进制存储单元(默认为5Gb),可以包含多个块,Container是数据复制(data replication)的基本单位。

      • 一个DataNode上会有多个Container
      • 一个Container有全局唯一的Container ID(Cid)
      • 一个Container的对应的三个副本分布在三个Data Node上,通过RAFT协议实现数据的复制和一致性。
      • 创建容器时,它以OPEN状态启动。当容器已满(写入约5GB数据)时,容器将关闭并成为closed容器。OPEN和CLOSED容器的基本区别
      Open Close
      mutable (不能删除,可追加写) Immutable (可以删除,不能追加写)
      replicated with RAFT(Ratis) (写操作是通过 raft协议复制完成) replicated with async container copy (删除操作和数据修复操作不需要raft协议)
      Raft leader is used to READ/WRITE (写操作需要通过Leader,只能通过Leader读写) All the nodes can be used to READ (所以节点都可以读)
      • BlockID分两部分:ContainerID和LocalID,ContainerID用于标记该block所属的Container,LocalID用于查找该Block在Container的Offset等位置信息

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    • Block:数据存储块默认最大256MB,一个Container包含多个Block。一个Block是一个可变的数据块,由基本的chunk组成。
    • Chunk:数据存储块,默认最大4MB,一个Block包含多个Chunk,Chunk是客户端数据读写的基本单位。
    • Ratis PipeLine:数据复制的数据流,可以理解为一个独立的Raft Group用于数据复制。Pipeline和Container是一对多的关系。一个Raft Group可以实现多个Container的数据复制。
  • Recon Server:系统监控和管理

Ozone管理器是名称空间管理器,存储容器管理器管理物理层和数据层,Recon是Ozone的管理接口。从另一个的视角来看Ozone,将其想象为构建在hdd(一个分布式块存储)之上的名称空间服务的Ozone Manager。可视化臭氧的方法是观察功能层;这里有元数据管理层,由Ozone管理器和存储容器管理器组成。数据存储层基本上是数据节点,由SCM管理。由Ratis提供的复制层用于复制元数据(OM和SCM),也用于在数据节点上修改数据时保持一致性。Recon管理服务器与Ozone的所有其他组件进行通信,并为Ozone提供统一的管理API和用户体验。协议总线允许通过其他协议扩展Ozone。目前只有通过协议总线构建的S3协议支持。协议总线提供了一个通用概念,可以实现调用O3 Native协议的新文件系统或对象存储协议。Apache Ratis是开源的java版的raft协议的实现。对于数据和元数据都用了Raft协议来保障数据的一致性和高可用。

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  • 协议层:提供s3 protocol,NFS protocol等协议
  • 元数据层:MetaData layer:包括 Ozone Manager处理文件系统或者对象存储系统的元数据。Storage Container Manager处理集群和数据块相关的元数据。Ozone把HDFS的元数据拆分为OM文件系统的目录管理和SCM数据块管理。
  • 数据层:Data Layer层,主要是DataNode 组成的集群,每个DataNode上包括很多Container,Container组成Raft Group来实现数据的复制。

写数据

写入数据时,向Ozone管理器请求一个块,Ozone管理器会返回一个块并记住该信息

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读数据

当读取该文件时,由Ozone Manager返回需要块的地址。

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部署

安装方式

  • 简单启动:从Docker Hub运行Ozone
  • 推荐:从官方发布运行Ozone。Apache Ozone也可以从官方发布包中运行。随着官方源代码的发布,还发布了一组方便的二进制包;可以很轻松的在不同的配置中运行这些二进制文件。
    • 物理部署Ozone集群。
    • K8S部署Ozone集群。
    • MiniKube部署Ozone集群。
    • docker-compose部署本地集群
  • Hadoop Ninja:从源码中构建Ozone部署包。

安装

Docker启动

# 如果是用于开发测试,可以通过容器启动Ozone;启动一体化Ozone容器最简单的方法是从docker hub中使用最新的docker镜像,该容器将运行所需的元数据服务器(Ozone Manager、Storage container Manager)、一个数据节点和S3兼容的REST服务器(S3 Gateway)。
docker run -p 9878:9878 -p 9876:9876 apache/ozone

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Docker-compose启动

# 本地多容器集群,如果要部署伪集群,每个组件在自己的容器中运行,则可以使用docker-compose启动,从docker hub中的映像中提取这些文件
docker run apache/ozone cat docker-compose.yaml > docker-compose.yaml
docker run apache/ozone cat docker-config > docker-config
# docker-compose启动集群
docker-compose up -d
# 如果需要多个数据节点,可以按比例扩展:
docker-compose up -d --scale datanode=3

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访问Ozone Recon的控制台页面http://hadoop3:9888 ,查看概览可以看下Datanodes、Pipelines、Volumes、Buckets、Keys等,还可以查看数据节点信息

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企业预置型(On Premise)安装

可以在一个真正的集群中设置臭氧,建立一个真正的集群,其组成部分

  • Ozone Manager:是负责Ozone 命名空间的服务器。臭氧管理器负责所有的卷,桶和键操作。
  • Storage Container Manager:充当块管理器。Ozone Manager从SCM请求块,客户机可以向其写入数据。
  • datanode:Ozone数据节点代码运行在HDFS datanode内部,或者在独立部署的情况下运行臭氧datanode守护进程。
# 下载ozone最新版本的1.3.0
wget https://dlcdn.apache.org/ozone/1.3.0/ozone-1.3.0.tar.gz
# 解压文件
tar -xvf ozone-1.3.0.tar.gz
# 进入目录
cd ozone-1.3.0
# 配置文件位于ozone根目录下的etc/hadoop/ozone-site.xml
 <property>
      <name>ozone.metadata.dirs</name>
      <value>/data/disk1/meta</value>
   </property>

ozone.scm.names

    <property>
      <name>ozone.scm.names</name>
      <value>scm.hadoop.apache.org</value>
    </property>

ozone.scm.datanode.id.dir

   <property>
      <name>ozone.scm.datanode.id.dir</name>
      <value>/data/disk1/meta/node</value>
   </property>

ozone.om.address

    <property>
       <name>ozone.om.address</name>
       <value>ozonemanager.hadoop.apache.org</value>
    </property>
# scm初始化
ozone scm --init
# scm启动
ozone --daemon start scm
# om初始化
ozone om --init
# om启动
ozone --daemon start om
# 数据节点启动
ozone --daemon start datanode
# 简洁启动
ozone scm --init
ozone om --init
start-ozone.sh

实践

命令行接口

Ozone shell是从命令行与Ozone交互的主要接口,其背后使用Java API。如果不使用ozone sh命令,就无法访问一些功能。例如:

  • 创建有配额的卷
  • 管理内部acl
  • 使用加密密钥创建桶

所有这些都是一次性的管理任务。应用程序可以使用其他接口,如Hadoop兼容文件系统(o3fs或ofs)或S3接口来使用臭氧,而不需要这个CLI。

# 查看卷的帮助ozone sh volume --help# 查看具体操作帮助ozone sh volume create --help# 创建卷ozone sh volume create /vol1# 查看卷信息ozone sh volume info /vol1# 列出卷ozone sh volume list /

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# 创建桶ozone sh bucket create /vol1/bucket1# 查看桶ozone sh bucket info /vol1/bucket1# 存储键数据ozone sh key put /vol1/bucket1/anaconda-post.log /anaconda-post.log# 查看键数据ozone sh key info /vol1/bucket1/anaconda-post.log# 读取键数据到本地ozone sh key get /vol1/bucket1/anaconda-post.log /data/

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# 指定URLozone sh bucket info o3://172.28.0.8:9862/vol1/bucket1

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Ofs (Hadoop兼容)

Hadoop兼容的文件系统接口允许像Ozone这样的存储后端轻松集成到Hadoop生态系统中。Ozone文件系统是一个与Hadoop兼容的文件系统。

目前,Ozone支持o3fs://和ofs://两种方案。o3fs和ofs之间最大的区别在于,o3fs只支持单个桶上的操作,而ofs支持跨所有卷和桶的操作,并提供所有卷/桶的完整视图。

卷和挂载位于OFS文件系统的根级别。桶自然列在卷下。键和目录位于每个桶的下面。注意,对于挂载,目前只支持临时挂载/tmp。

请将下面内容添加到core-site.xml中。

<property>  <name>fs.ofs.impl</name>  <value>org.apache.hadoop.fs.ozone.RootedOzoneFileSystem</value></property><property>  <name>fs.defaultFS</name>  <value>ofs://hadoop3/</value></property>

将ozone- filessystem -hadoop3.jar文件添加到类路径中(注意如果使用Hadoop 2.X,使用ozone- filessystem -hadoop2-*.jar)

export HADOOP_CLASSPATH=/opt/ozone/share/ozone/lib/ozone-filesystem-hadoop3-*.jar:$HADOOP_CLASSPATH

设置了默认的文件系统,用户就可以运行ls、put、mkdir等命令。

# 创建卷,也即是创建目录hdfs dfs -mkdir /volume1# 创建桶,也即是创建二级目录hdfs dfs -mkdir /volume1/bucket1# 写入数据文件hdfs dfs -put /tmp/data.txt /volume1/bucket1/# 查看文件hdfs dfs -ls /volume1/bucket1/

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通过Ozone的shell也能查看对应的信息

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# o3fshdfs dfs -ls o3fs://bucket.volume.cluster1/prefix/# ofshdfs dfs -ls ofs://cluster1/volume/bucket/prefix/

Recon API

Recon API v1是一组HTTP端点,可帮助了解Ozone集群的当前状态,并在需要时进行故障排除。

标记为admin的端点只能由Ozone中指定的Kerberos用户访问。安全集群的Administrators或ozone.recon.administrators配置。

Property Value
ozone.security.enabled true
ozone.security.http.kerberos.enabled true
ozone.acl.enabled true
# 获取容器curl http://hadoop3:9888/api/v1/containers

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这个相当于管理页面的后台接口

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  • 本人博客网站IT小神 www.itxiaoshen.com
posted @ 2023-04-25 21:42  itxiaoshen  阅读(471)  评论(0编辑  收藏  举报