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公開：2024-05-14

分散ファイルシステムのHDFSとは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

HDFSとは

HDFSはHadoopの中核をなす分散ファイルシステムです。大量のデータを複数のコンピュータに分散して格納することで、高速なデータアクセスと優れた耐障害性を実現しています。

HDFSはマスターノードであるNameNodeと、実際のデータを格納するDataNodeから構成されます。NameNodeはファイルシステムのメタデータを管理し、DataNodeはブロック単位でデータを保存します。

HDFSはファイルを複数のブロックに分割し、それらを複数のDataNodeに冗長的に保存することで、データの可用性と信頼性を高めています。また、データの読み取りや書き込みをDataNode間で並列処理することで、高速なデータアクセスが可能となります。

HDFSはスケーラビリティにも優れており、DataNodeを追加することで、容易にストレージ容量を拡張できます。さらに、HDFSはデータの整合性チェックや自動復旧機能を備えており、データの信頼性を確保しています。

HDFSはバッチ処理に適したファイルシステムであり、大規模なデータ処理を行うHadoopエコシステムの基盤として広く利用されています。データの読み取りに最適化されているため、データの追加や更新が頻繁に行われるようなアプリケーションには向いていません。

HDFSのアーキテクチャと構成要素

HDFSのアーキテクチャと構成要素に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• HDFSのマスター・スレーブアーキテクチャ
• HDFSのNameNodeの役割と責務
• HDFSのDataNodeの役割と責務

HDFSのマスター・スレーブアーキテクチャ

HDFSはマスター・スレーブアーキテクチャを採用しています。マスターノードであるNameNodeが、ファイルシステムのメタデータを管理し、ファイルの配置を決定します。

一方、スレーブノードであるDataNodeは実際のデータを格納し、NameNodeの指示に従ってデータの読み書きを行います。このアーキテクチャにより、HDFSは高い拡張性と耐障害性を実現しています。

また、セカンダリNameNodeを設置することで、NameNodeの障害時にも迅速な復旧が可能となります。HDFSのマスター・スレーブアーキテクチャは大規模なデータ処理に適した設計となっています。

HDFSのNameNodeの役割と責務

NameNodeはHDFSのマスターノードとして、ファイルシステムのメタデータを管理する重要な役割を担っています。具体的にはファイルやディレクトリの階層構造、ファイルの分割情報、ブロックの配置情報などを管理します。

クライアントがファイルにアクセスする際、NameNodeはファイルの位置情報を提供し、DataNodeへのデータ読み書きを調整します。また、NameNodeはDataNodeの状態を監視し、障害が発生した場合にはレプリケーションを行うなどの措置を講じます。

NameNodeはHDFSの可用性と信頼性を確保するための中核的な存在であり、その健全性がシステム全体のパフォーマンスに大きく影響します。そのため、NameNodeの障害対策として、スタンバイNameNodeを用意することが推奨されています。

HDFSのDataNodeの役割と責務

DataNodeはHDFSのスレーブノードとして、実際のデータを格納し、データの読み書きを行う役割を担っています。DataNodeはNameNodeから割り当てられたブロックを管理し、クライアントからの読み書き要求に応じてデータの入出力を行います。

また、DataNodeは定期的にNameNodeにハートビートを送信し、自身の状態を報告します。これにより、NameNodeはDataNodeの稼働状況を把握し、障害が発生した場合には適切な対処を行うことができます。

DataNodeはHDFSのデータ格納capacity扱うため、十分なディスク容量とI/Oパフォーマンスが求められます。さらに、データの可用性を高めるために、複数のDataNodeに同じデータを冗長的に保存する仕組みが採用されています。

HDFSのデータ格納とレプリケーション

HDFSのデータ格納とレプリケーションに関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• HDFSのブロック単位でのデータ格納方式
• HDFSのレプリケーションによる可用性の確保
• HDFSのラックアウェアなレプリケーション

HDFSのブロック単位でのデータ格納方式

HDFSはファイルを固定サイズのブロックに分割し、それらを複数のDataNodeに分散して格納する方式を採用しています。デフォルトのブロックサイズは128MBであり、大きなファイルは複数のブロックに分割されます。

この方式により、大容量のファイルを効率的に扱うことができ、並列処理によるデータアクセスの高速化が可能となります。また、ブロック単位での格納はデータの局所性を高め、ネットワークトラフィックを削減する効果もあります。

ブロックサイズはHDFSの設定で変更することができます。適切なブロックサイズを選択することで、アプリケーションの特性に合わせたパフォーマンスチューニングが可能となります。

HDFSのレプリケーションによる可用性の確保

HDFSはデータの可用性と耐障害性を確保するために、レプリケーション機能を提供しています。デフォルトでは各ブロックが3つのDataNodeに冗長的に保存されます。

レプリケーションにより、一部のDataNodeが障害になった場合でも、他のDataNodeからデータを読み取ることができるため、データの可用性が維持されます。また、レプリケーションファクターを調整することで、より高い可用性を実現することも可能です。

NameNodeは定期的にDataNodeからブロックレポートを受信し、レプリケーションの状態を監視します。不足しているレプリカがある場合、NameNodeはDataNodeに対してレプリケーションを指示し、データの冗長性を回復します。

HDFSのラックアウェアなレプリケーション

HDFSはラックアウェアなレプリケーション機能を提供しています。この機能により、レプリカが同一ラック内の異なるDataNodeに配置されるように調整されます。

ラックアウェアなレプリケーションはラック間の障害が発生した場合でも、データの可用性を維持することを目的としています。同一ラック内のDataNode間では高速なネットワークを利用できるため、データのコピーも効率的に行われます。

また、ラックアウェアなレプリケーションはネットワークトラフィックの局所化にも貢献します。クライアントがデータにアクセスする際、可能な限り同一ラック内のDataNodeからデータを読み取ることで、ラック間のトラフィックを削減できます。

HDFSのスケーラビリティと耐障害性

HDFSのスケーラビリティと耐障害性に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

• HDFSの水平スケーラビリティ
• HDFSのDataNodeの障害検出と自動復旧
• HDFSのネームスペースの高可用性

HDFSの水平スケーラビリティ

HDFSは優れた水平スケーラビリティを備えており、DataNodeを追加することで、容易にストレージ容量を拡張することができます。新しいDataNodeをクラスターに追加すると、NameNodeがそのDataNodeを認識し、データの再配置を行います。

この水平スケーラビリティにより、HDFSは膨大なデータを扱うことができ、データ量の増加に合わせてシステムを拡張していくことが可能となります。また、スケールアウトによるパフォーマンスの向上も期待できます。

HDFSの水平スケーラビリティは大規模なデータ処理を行うHadoopエコシステムにおいて、重要な役割を果たしています。データ量の増加に応じて、柔軟にシステムを拡張できる点が、HDFSの大きな強みといえます。

HDFSのDataNodeの障害検出と自動復旧

HDFSはDataNodeの障害を検出し、自動的に復旧する機能を備えています。DataNodeは定期的にNameNodeにハートビートを送信し、自身の状態を報告します。

NameNodeは一定時間ハートビートを受信できないDataNodeを障害として認識し、そのDataNodeが保持していたブロックのレプリケーションを他のDataNodeに指示します。これにより、障害が発生したDataNodeのデータが失われることなく、自動的に復旧されます。

また、HDFSはDataNodeの追加や削除を動的に行うことができます。これにより、障害が発生したDataNodeを取り除き、新しいDataNodeを追加することで、システムの可用性を維持することができます。

HDFSのネームスペースの高可用性

HDFSはネームスペースの高可用性を確保するために、フェイルオーバー機構を提供しています。アクティブなNameNodeが障害になった場合、スタンバイNameNodeが自動的にアクティブの役割を引き継ぎ、ファイルシステムの操作を継続します。

この機構により、NameNodeの単一障害点が解消され、HDFSの可用性が大幅に向上します。フェイルオーバーにはSharedEditsログを利用した方式や、NFS(Network File System)を利用した方式などがあります。

また、HDFSはNameNodeのメタデータをバックアップするセカンダリNameNodeを提供しています。セカンダリNameNodeは定期的にNameNodeからFSImageとEditLogをダウンロードし、マージしてスナップショットを作成します。これにより、NameNodeの障害時に、迅速にメタデータを復旧することができます。

※上記コンテンツはAIで確認しておりますが、間違い等ある場合はコメントよりご連絡いただけますと幸いです。

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