HDFS WebHDFS 读写文件分析及HTTP Chunk Transfer Coding相关问题探究
前言
最近在调研使用WebHDFS进行HDFS文件读写的相关调查，因此需要对WebHDFS的整个读写流程进行探究，其中涉及到的必要的http重定向的整个流程必须搞清楚。
同时，由于HDFS涉及到大量的流式写和大文件读，因为我们比较关心WebHDFS对Chunked Transfer Coding的支持，我们对WebHDFS的这个特性进行了测试和代码层面的研究。
需要回答的问题
我们基于常规的hadoop-native 方式连接去读写文件的时候，会首先与NameNode通信，然后再与DataNode通信读取具体数据，这其中的处理逻辑都放在了hadoop-native中的具体客户端代码中。
但是一旦使用WebHDFS，我们所有的通信方式仅仅是HTTP。hadoop-native中的这种多次通信逻辑放在一个http请求中该怎么处理呢？所以，我们在测试WebHDFS以前，就首先有了疑问： 基于HTTP的WebHDFS该怎么处理先到NameNode然后到DataNode的整个过程？总不会让数据从DataNode、经过NameNode再到客户端吧？
DataNode端基于Netty的WebHDFS Service的实现
在DataNode启动的时候，会启动一个DatanodeHttpServer，用来启动对应的WebHDFS Service:
private void startInfoServer()
throws IOException {
// SecureDataNodeStarter will bind the privileged port to the channel if
// the DN is started by JSVC, pass it along.
ServerSocketChannel httpServerChannel = secureResources != null ?
secureResources.getHttpServerChannel() : null;
httpServer = new DatanodeHttpServer(getConf(), this, httpServerChannel);
httpServer.start();
在 DataNodeHttpServer 构造的时候，实际上构造了基于Netty的DataNode Http Service。我们特别注意到，在initChannel()方法中，添加了对Chunked Transfer Encoding的支持handler ChunkedWriteHandler。后面我们会具体讲这个类在我们通过WebHDFS读取文件时的作用。
this.httpServer = new ServerBootstrap().group(bossGroup, workerGroup)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new HttpRequestDecoder(),
new HttpResponseEncoder());
if (restCsrfPreventionFilter != null) {
p.addLast(new RestCsrfPreventionFilterHandler(
restCsrfPreventionFilter));
}
p.addLast(
new ChunkedWriteHandler(), //支持chunk的数据写入
new URLDispatcher(jettyAddr, conf, confForCreate));
}
});
上面的代码其实是创建一个Netty服务器端的基本流程（以下基本流程来自ChatGPT的回答，个人认为非常准确，因此直接粘贴）：
-
创建
EventLoopGroup：EventLoopGroup是一个处理 I/O 操作的线程池。在服务器端，我们通常需要创建两个EventLoopGroup，一个用于接受客户端的连接（Boss Group），另一个用于处理连接的数据流（Worker Group）。EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); -
创建
ServerBootstrap：ServerBootstrap是用于启动 Netty 服务器的引导类。它配置了服务器的各种参数，如线程模型、通道类型、处理器等。ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap(); serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .childHandler(new MyChannelInitializer()); // 设置处理连接的 ChannelInitializer -
设置
ChannelInitializer：ChannelInitializer是一个特殊的处理器，用于配置新连接的ChannelPipeline。在这里，你可以添加自定义的处理器来处理连接的数据流。在上面的HDFS代码中，创建了一个匿名的ChannelInitializer实现，重写了initChannel()方法：this.httpServer = new ServerBootstrap().group(bossGroup, workerGroup) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ChannelPipeline p = ch.pipeline(); p.addLast(new HttpRequestDecoder(), new HttpResponseEncoder()); ..... } -
实现自定义的处理器： 在
ChannelInitializer的initChannel()方法中，添加Netty集成的或者自定义的处理器ChannelHandler，用于处理连接的数据流。这些处理器会成为一个处理器链，挂载在ChannelPipeline中。很显然，这个Pipeline下面的Handler时按照addLast()添加的顺序有序的，比如WebHDFS在下面的代码中，意味着读数据的时候，数据先经过ChunkedWriteHandler，然后经过URLDispatcher，而向客户端写数据的时候，数据流先经过URLDispatcher，然后经过ChunkedWriteHandlerp.addLast( new ChunkedWriteHandler(), //支持chunk的数据写入 new URLDispatcher(jettyAddr, conf, confForCreate)); -
绑定端口并启动服务器： 最后，将服务器绑定到指定的端口，并启动服务器。
ChannelFuture f = httpServer.bind(infoAddr); try { f.syncUninterruptibly(); ......
在DataNode端， 用户可以通过dfs.datanode.http.address配置了对应的WebHDFS地址，默认是0.0.0.0:9864：
public static final String DFS_DATANODE_HTTP_ADDRESS_KEY = "dfs.datanode.http.address";
public static final int DFS_DATANODE_HTTP_DEFAULT_PORT = 9864;
public static final String DFS_DATANODE_HTTP_ADDRESS_DEFAULT = "0.0.0.0:" + DFS_DATANODE_HTTP_DEFAULT_PORT;
基于重定向的文件写入流程
写入一个大文件时WebHDFS和Hadoop Native的块分布差异
我们通过基础的java.net提供的HttpURLConnection创建Http客户端向HDFS写入文件。
通过命令， 可以看到其实这个文件的第一个Block都是在同一个机器上。
hdfs -copyFromLocal这种基于hadoop native的api拷贝文件，这个文件的block是逐个申请的，NameNode会为每一个Block根据当前的BlockPlacementPolicy分配对应的replica位置，但是，基于WebHDFS的NameNode只能在请求写文件的时候和NameNode进行一次通信，返回一个Location信息供客户端进行Redirect的写操作，因此，这导致这个文件的所有Block的第一个Replica都在这台机器上。至于每一个Block剩下的Replica的复制，按照HDFS的块写入策略，都是由第一个Replica复制到剩余两个Replica上去的。
我们做测试的时候，通过WebHDFS上传一个300MB的文件到HDFS。之所以选择300MB，是因为HDFS的块大小是128MB，因此300MB的文件需要创建3个Block，从而观察3个Block的第一个 Replica 是否是同一台机器。
下面是使用Java的HTTP客户端基于WebHDFS向HDFS写入一个大概300MB的文件的代码：
public class WebHDFSWriteFileExample
{
public static void write_file()
{
try {
// WebHDFS endpoint
String webHdfsEndpointProd = "http://dddddd-101.prod.corp.com:50070";
// HDFS path where the file will be written
String hdfsPath = "/user/hadoop/hello-world/330MB.txt";
// Local file path to be uploaded
String localFilePath = "/Users/cwu/330MB.txt";
// Hadoop username
String username = "hadoop";
// WebHDFS REST API URL for file creation (PUT method)
String webHdfsUrl = webHdfsEndpointProd + "/webhdfs/v1" + hdfsPath + "?op=CREATE&user.name=" + username + "&overwrite=true";
// Open the local file for reading
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(localFilePath);
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(fileInputStream));
// Create HTTP connection
HttpURLConnection connection = createConnectionWithURL(webHdfsUrl);
// Write file content to HDFS
OutputStream outputStream = connection.getOutputStream();
String inputLine;
while ((inputLine = reader.readLine()) != null) {
outputStream.write(inputLine.getBytes());
outputStream.write("\r\n".getBytes());
}
outputStream.write("0\r\n\r\n".getBytes());
// Close the connection
connection.disconnect();
}
}
// 基于WebHDFS的url创建一个HttpURLConnection
private static HttpURLConnection createConnectionWithURL(String webHdfsUrl) throws IOException {
URL url = new URL(webHdfsUrl);
HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
connection.setDoOutput(true);
connection.setRequestMethod("PUT");
return connection;
}
}
文件上传以后，我们通过fsck命令查看上传的文件的块分布情况，结果验证了我们的猜想：文件的所有Block的第一个replica都是机器81.2.20.332，显然，这个机器就是我们向NameNode发送请求的时候NameNode返回给我们的307重定向的DataNode地址。重定向地址只有一个，因此，所有的块的写入就只能写到一个机器上去。
root@dddddd-101:~# HADOOP_USER_NAME=hdfs hdfs fsck hdfs://drdencrypted/user/hadoop/hello-world/330MB.txt -files -locations -blocks
Connecting to namenode via http://dddddd-101.prod.corp.com:50070/fsck?ugi=hdfs&files=1&locations=1&blocks=1&path=%2Fuser%2Fhadoop%2Fhello-world%2F330MB.txt
FSCK started by hdfs (auth:SIMPLE) from /81.2.2.108 for path /user/hadoop/hello-world/330MB.txt at Wed Jan 10 14:49:14 UTC 2024
/user/hadoop/hello-world/330MB.txt 348093376 bytes, 3 block(s): OK
0. BP-332385978-81.2.1.108-1654488140099:blk_5650223226_4580715954 len=134217728 Live_repl=3 [DatanodeInfoWithStorage[81.2.20.332:50010,DS-fa64ea42-f4e8-4ebb-999e-1727fcfb879a,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.12.132:50010,DS-88228db5-1c5b-4715-8b36-2bb653201367,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.11.125:50010,DS-e6936497-52f8-495e-9d80-0d7d5684369a,DISK]]
1. BP-332385978-81.2.1.108-1654488140099:blk_5650225022_4580717750 len=134217728 Live_repl=3 [DatanodeInfoWithStorage[81.2.20.332:50010,DS-c0cb79b2-7679-4961-8bb4-917224b248ed,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.8.131:50010,DS-368a6917-1a36-419f-a6bc-7129978d0926,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.8.132:50010,DS-56b945ff-004f-4af5-879e-2941db14693e,DISK]]
2. BP-332385978-81.2.1.108-1654488140099:blk_5650228459_4580721187 len=79657920 Live_repl=3 [DatanodeInfoWithStorage[81.2.20.332:50010,DS-0bf35d03-c89c-4e9a-86ce-af9c1a149b52,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.11.126:50010,DS-74da8386-1369-4562-bfec-ae6350b48fbd,DISK], DatanodeInfoWithStorage[81.2.12.132:50010,DS-9bcd388e-a129-4f5c-99b3-6611e59f5a12,DISK]]
因此，通过WebHDFS写文件其实是有一个隐含的重定向过程，但是读者看上面的代码，并没有看到任何重定向的处理逻辑，这是因为，在默认情况下，HttpURLConnection帮我们自动处理了重定向，即，如果服务器端返回307状态码，那么客户端自动重新建立到header中的Location中到连接，然后一样的请求发送给redirect地址，这一切对用户隐藏。
如果我们的确想观察重定向的详细过程，完全可以通过connection.setInstanceFollowRedirects(false);关闭客户端的自动重定向，手动处理重定向。同时，后面会讲，假如我们enable了Chunked Transfer Coding，自动重定向处理也将被关闭。
没有了自动重定向，就需要手动创建两次http请求，第一次请求发往NameNode，NameNode返回307，并附带了指向某台DataNode的Location，然后我们再依据Location第二次建立连接，将文件写入到对应的DataNode。因此基于上面的WebHDFSWriteFileExample，我们修改代码进行手动重定向以观察重定向细节：
public class WebHDFSWriteFileExample
{
public static void write_file()
{
try {
....... 发送请求到NameNode
if (responseCode == HttpURLConnection.HTTP_CREATED) {
System.out.println("File created successfully on HDFS.");
} else { // 发现了重定向
System.out.println("Error creating file on HDFS. Response Code: " + responseCode);
String newUrl = connection.getHeaderField("Location"); //获取header中的Location，即重定向的目标地址
connection.disconnect(); // 关闭原先的对NameNode的连接，开始创建针对DataNode的连接
HttpURLConnection connection2 = createConnectionWithURL(newUrl);
// Write file content to HDFS
outputStream = connection2.getOutputStream();
fileInputStream = new FileInputStream(localFilePath);
reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(fileInputStream));
while ((inputLine = reader.readLine()) != null) {
outputStream.write(inputLine.getBytes());
}
}
}
private static HttpURLConnection createConnectionWithURL(String webHdfsUrl) throws IOException {
.....
connection.setInstanceFollowRedirects(false); //disable掉自动重定向
......
}
基于重定向的数据读取流程
我们将分别测试和研究读取小文件(不足一个Block)和大文件(两个或者更多Block)的读取流程，二者理论上会产生区别，因为假如文件来自两个或者更多的Block，基于WebHDFS的重定向似乎就没那么简单了。
下文来讲解具体的读取过程。
尝试读取一个小文件
对于只占用一个Block的小文件，我们发送读取请求给NameNode，NameNode会返回一个307的重定向，这个重定向一定是指向这个唯一的Block的其中一个Replica所在的DataNode的。
比如，读取一个1MB的小文件的代码如下：
public class WebHDFSReadFileExample {
private static void read(String[] args){
try {
// WebHDFS endpoint
String webHdfsEndpointProd = "http://dddddd-101.prod.corp.com:50070";
// HDFS path where the file will be written
String hdfsPath = "/user/hadoop/hello-world/1MB.txt";
// Local file path to be uploaded
String localFilePath = "/Users/cwu/1MB.txt";
// HDFS path to the file
// Hadoop username
String username = "hadoop";
// WebHDFS REST API URL for file reading (GET method)
String webHdfsUrl = webHdfsEndpoint + "/webhdfs/v1" + hdfsPath + "?op=OPEN&user.name=" + username;
// Open the connection
HttpURLConnection connection = createConnectionWithURL(webHdfsUrl, false, "GET", false);
if (connection.getResponseCode() == HttpURLConnection.HTTP_OK) {
System.out.println("File created successfully on HDFS.");
} else if (connection.getHeaderField("Location") != null){ // 307 redirect
// 创建http连接，基于get请求读文件，关闭自动重定向，不enable chunk
HttpURLConnection connection2 = createConnectionWithURL(newUrl, false, "GET", false);
// Write file content to HDFS
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection2.getInputStream()));
// read the file from BufferReader....
.....
}
....
}
// 创建链接，用户可以选择是否打开自动重定向，是否使用chunk
private static HttpURLConnection createConnectionWithURL(String webHdfsUrl, Boolean autoRedirect, String method, Boolean enable_chunk) throws IOException {
URL url = new URL(webHdfsUrl);
HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
connection.setInstanceFollowRedirects(autoRedirect); // 关闭自动重定向
connection.setRequestMethod(method);
connection.setDoOutput(true);
if(enable_chunk)
connection.setChunkedStreamingMode(-1); //选择是否打开chunked streaming out。后面会说，该选项决定的是客户端的写，基于GET读取文件的时候，该选项不可以打开
return connection;
}
读取一个小文件的过程在预期之内，HttpClient首先与NameNode 建立Http连接， NameNode响应了307状态码同时在Response Header中包含了目标location的地址信息。在我们关闭了自动重定向的情况下，建立了与Location中指示的URL建立连接，然后读取到对应的文件。
尝试读取一个大文件
我们已经知道读取文件的时候，NameNode会返回一个重定向地址给我们，告诉我们去联系对应的DataNode读取对应数据。但是，假如这个文件不止一个block，那么，是不是在读取下一个block的时候DataNode也会返回下一个DataNode的地址给我们接着进行下一个Block的读取呢？
我们创建了一个200MB的文件，显然，这个文件会有两个Block，并且，我们从fsck可以看到，这个文件的两个块的总共6个副本，分布在6台不同的机器上。
root@rccp103-2d:/var/log/hadoop-hdfs# HADOOP_USER_NAME=hdfs hdfs fsck hdfs://rccp103-2d.iad5.prod.corp.com:8020/user/hadoop/hello-world/200MB.log -files -locations -blocks
Connecting to namenode via http://rccp103-2d.iad5.prod.corp.com:50070/fsck?ugi=hdfs&files=1&locations=1&blocks=1&path=%2Fuser%2Fhadoop%2Fhello-world%2Fhadoop-cmf-hdfs-NAMENODE-rccp103-2d.iad5.prod.corp.com.log.out.1
FSCK started by hdfs (auth:SIMPLE) from /71.9.2.108 for path /user/hadoop/hello-world/hadoop-cmf-hdfs-NAMENODE-rccp103-2d.iad5.prod.corp.com.log.out.1 at Thu Jan 11 08:38:25 UTC 2024
/user/hadoop/hello-world/hadoop-cmf-hdfs-NAMENODE-rccp103-2d.iad5.prod.corp.com.log.out.1 209715453 bytes, 2 block(s): OK
0. BP-332385978-71.9.1.108-1654488140099:blk_5655503893_4585996621 len=134217728 Live_repl=3 [DatanodeInfoWithStorage[71.9.9.131:50010,DS-a8904c39-cb1c-4fe0-b9e8-625f3bad85be,DISK], DatanodeInfoWithStorage[71.9.7.130:50010,DS-8e0d756e-bab4-4b44-b131-6bb9af01362b,DISK], DatanodeInfoWithStorage[71.9.8.128:50010,DS-622eb32d-e292-4824-818e-a72a12144fe3,DISK]]
1. BP-332385978-71.9.1.108-1654488140099:blk_5655503948_4585996676 len=75497725 Live_repl=3 [DatanodeInfoWithStorage[71.9.10.128:50010,DS-3e0bbada-d77c-46af-a1fa-573e54443706,DISK], DatanodeInfoWithStorage[71.9.12.129:50010,DS-7942484b-2b8e-438a-9d4b-8bf8d892c0cf,DISK], DatanodeInfoWithStorage[71.9.12.131:50010,DS-d2e9c177-4ea0-4232-9f28-f8a52644be8a,DISK]]
我们还是使用上面的WebHDFSReadFileExample代码，发现，读取文件的时候，NameNode返回了307重定向，并且指向了第一个块的某一个副本机器，文件的第一个和第二个块都是从这个机器上读取的，尽管，第二个块并不是分布在这台机器上。
我们检查代码，发现了其实现的原理，简而言之，第一个Block的Replica的机器，充当了整个文件读取的中转，而不是仅仅负责自己存储的那个Replica的读取。
DataNode通过向Netty注册的WebHdfsHandler这个自定义的ChannelHandler来处理发往DataNode请求(上文讲过Netty的一些基本实体的定义)。WebHdfsHandler.onOpen()方法用来处理用户的读文件请求。我们从下面的onOpen()代码的实现细节可以看到，实际上，DataNode并不是将用户请求的文件在自己上面的Replica返回给Http客户端，而是将自己作为中转，创建一个Hadoop Client，读取文件，然后将读取到的文件的InputStream封装程一个ChunkedStream返回给客户端。所以，当客户端调用connection2.getInputStream()就能够拿到对应DataNode创建的读取文件的InputStream
private void onOpen(ChannelHandlerContext ctx) throws IOException {
// DataNode自己创建一个读取文件的Client，这是一个普通的Hadoop Native客户端，与普通的HDFS Java 客户端没有任何去呗
final DFSClient dfsclient = newDfsClient(nnId, conf);
HdfsDataInputStream in = dfsclient.createWrappedInputStream(
dfsclient.open(path, bufferSize, true));
in.seek(offset);
data = in;
ctx.write(resp);
ctx.writeAndFlush(new ChunkedStream(data) { // 封装好InputStream,返回给客户端，可以看到，是以Chunk的方式。后面会讲，ChunkedStream会被当前的Handler中的下一个Handler即ChunkedWriteHandler进一步处理
@Override
public void close() throws Exception {
super.close();
dfsclient.close();
}
}).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
读写过程中的Chunk Transfer-Encoding支持
对Chunk Transfer-Encoding的支持会极大影响流式数据读写的性能。我们看看什么是Chunk Transfer-Encoding以及它能给我们带来什么：
分块传输编码（Chunk Transfer-Encoding）是一种 HTTP 传输机制，它将消息主体分割成一系列块，并使用长度前缀来标识每个块的大小。这种编码方式带来了一些好处：
-
实时传输： 分块传输编码允许服务器在生成响应的同时将数据发送给客户端，而不必等到整个响应主体准备就绪。这对于实时生成的内容或流式传输非常有用。
-
无需预先知道内容大小： 使用分块传输编码时，不需要预先知道整个消息主体的大小。这对于动态生成的内容或流式传输，其中内容的大小可能在生成过程中动态变化，非常有用。
-
提高响应速度： 分块传输编码可以在数据准备的同时发送，减少了等待整个响应准备就绪的时间。这有助于提高响应速度，特别是对于大型或动态生成的内容。
-
降低延迟： 分块传输编码允许客户端在接收到一部分数据时就开始处理，而不必等待整个响应完成。这有助于降低延迟，特别是对于实时应用或交互性应用。
-
更好的适应网络波动： 在网络条件不稳定的情况下，分块传输编码可以更好地适应不同的带宽和延迟条件。由于可以在生成数据的同时发送，它能够更灵活地处理网络波动。
所以，总的说来，Chunk Transfer-Encoding主要用来文件大小未知的流式文件的传输，或者虽然确定大小但是文件大小很大的传输场景。
正常使用场景下，流式数据或者大文件的发送方会在http header中设置Transfer-Encoding: chunked，同时以chunk的方式发送数据，数据的接受方在接收到header并发现是Chunk Transfer-Encoding以后，会进行对应的编解码操作。当然，这个解码操作一般是对应的Library底层的自动操作，上层用户直接看到的是一个解码以后的InputStream比如BufferedInputStream等，而不需要关心本身的解码细节。
注意，Chunked Transfer Coding的每一个chunk的数据大小是自描述的，因此，并不要求在一个stream连接中所有chunk的大小都相同。只要遵循Chunked Transfer Coding的数据格式，比如，如果发送的文件是一个日志文件，数据的发送方甚至可以按照一行一个chunk进行数据的发送。
我们在下文详细讲解通过WebHDFS读写文件时对Chunk的支持。
写文件使用Chunk Transfer-Encoding
我们通过connection.setChunkedStreamingMode(chunklen)，就会enable Chunked Transfer Coding写文件，即为我们添加Transfer-Encoding: chunked的http header, 同时设置了一个chunkLength，我们传入的参数如果是不大于0的参数，那么chunkLength就设置为默认值4096，否则就按照我们设置的大小设置chunkLength。
与之相对，我们可以调用connection.setFixedLengthStreamingMode (int contentLength) 来选择使用Fixed-Length Streaming。
Chunked Streaming 和 Fixed-Length Streaming是相互排斥的，二者只能选其一，这是因为二者的使用场景完全不同：
-
setChunkedStreamingMode： 用于指定请求体使用分块传输编码 (Chunked Transfer Encoding)。分块传输编码允许将请求体分割成多个块，每个块都带有长度信息。这样可以在数据生成的同时发送，而无需等到整个请求体准备就绪。使用这种模式可以提高效率，特别是对于较大的请求体。connection.setChunkedStreamingMode(0); // 使用分块传输编码，0 表示使用默认块大小 -
setFixedLengthStreamingMode： 用于指定请求体的固定长度。这意味着在实际写入请求体数据之前，需要知道请求体的总长度。这样的模式适用于较小的请求体，且长度可预知的情况。int contentLength = calculateContentLength(); // 计算请求体的长度 connection.setFixedLengthStreamingMode(contentLength);选择使用哪个方法取决于请求体的大小和生成的时间。对于动态生成的或大小未知的请求体，通常更适合使用
setChunkedStreamingMode。对于已知大小的请求体，使用setFixedLengthStreamingMode可能更为合适。
下面的代码就是HttpURLConnection中两个方法的实现：
------------------------------------------HttpURLConnection------------------------------------------
public void setChunkedStreamingMode (int chunklen) {
.......
if (fixedContentLength != -1 || fixedContentLengthLong != -1) {
throw new IllegalStateException ("Fixed length streaming mode set");
}
chunkLength = chunklen <=0? DEFAULT_CHUNK_SIZE : chunklen;
}
public void setFixedLengthStreamingMode (int contentLength) {
......
fixedContentLength = contentLength;
}
我们从HttpURLConnection.getOutputStream0()方法可以看到，
- 由于我们之前设置了
chunkLength，因此，这里会构建对应的ChunkedOutputStream，这意味着，我们通过HttpURLConnection.getOutputStream()返回的OutputStream进行数据的写入的时候，会经过ChunkedOutputStream然后才到最底层的比如SocketOutputStream，即ChunkedOutputStream会帮我们进行数据的chunk编码并发送给远程。 - 如果是Http Method是
Get，会强制变成Post，即我们不可能在get请求中使用Chunk Transfer Encoding，如果调用了setChunkedStreamingMode(chunklen)，那么Http Method会被换成POST。这是为什么我们在读文件的时候假如调用setChunkedStreamingMode(chunklen)，WebHDFS会返回一个400，让我们误以为WebHDFS不支持Chunk Transfer Coding。后文会详细讲解。 - 我们从
writeRequests可以看到，假如我们通过setChunkedStreamingMode(0)设置了chunkLength，那么写文件的请求中会被隐含加上Transfer-Encoding: chunked的 Http header。而如果我们通过setFixedLengthStreamingMode()设置了使用fixed-length streaming，那么就会隐含加上Content-Length的 header。
private synchronized OutputStream getOutputStream0() throws IOException {
.........
if (method.equals("GET")) { //在获取OutputStream，GET会被强制替换成POST
method = "POST"; // Backward compatibility
}
....
if (streaming()) {
if (strOutputStream == null) {
if (chunkLength != -1) { /* chunked */
strOutputStream = new StreamingOutputStream(
new ChunkedOutputStream(ps, chunkLength), -1L); //封装一层ChunkedOutputStream
} else { /* must be fixed content length */
long length = 0L;
if (fixedContentLengthLong != -1) {
length = fixedContentLengthLong;
} else if (fixedContentLength != -1) {
length = fixedContentLength;
}
strOutputStream = new StreamingOutputStream(ps, length);
}
.....
}
private void writeRequests() throws IOException {
.....
if (this.streaming()) {
if (this.chunkLength != -1) { // 设置了chunk， 会帮我们添加Transfer-Encoding：chunked的header
this.requests.set("Transfer-Encoding", "chunked");
var14 = true;
} else if (this.fixedContentLengthLong != -1L) { //如果是fixed-length code，会帮我们添加Content-Length header
this.requests.set("Content-Length", String.valueOf(this.fixedContentLengthLong));
} else if (this.fixedContentLength != -1) {
this.requests.set("Content-Length", String.valueOf(this.fixedContentLength));
}
}
下图显示了我们使用Chunked Transfer Coding写文件的时候的客户端观察到的HttpURLConnection的运行时的outputStream，从最上层 HttpURLConnection.StreamingOutStream，经过ChunkedOutputStream一直到最下层SocketOutputStream的层层封装过程。
读文件使用Chunk Transfer-Encoding
刚刚说了，是否使用Chunk Transfer-Encoding，其实是数据的发送方的职责，因此，客户端从WebHDFS读文件，数据的发送方，WebHDFS Service，是否使用Chunk Transfer-Encoding，是它自己的选择。我们从WebHDFS服务器端代码可以看到，基于Netty的WebHDFS服务器端的确是使用Chunked Transfer Encoding来发送文件到客户端的。
DataNode启动的时候，会构造WebHDFS背后的Netty服务器端。构造时加入了ChunkedWriteHandler:
this.httpServer = new ServerBootstrap().group(bossGroup, workerGroup)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline p = ch.pipeline();
p.addLast(new HttpRequestDecoder(),
.......
p.addLast(
new ChunkedWriteHandler(),
new URLDispatcher(jettyAddr, conf, confForCreate));
}
});
从上面的代码可以看到，最后网ChannelPipeline中添加了两个ChannelHandler，ChunkedWriteHandler和URLDispatcher，那么，这两个Handler在pipeline中的调用顺序是怎样的呢？
我们来看一下ChatGPT的准确回答：
在 Netty 中，ChannelPipeline 是一个处理事件的流水线。ChannelPipeline 中的每个节点是一个 ChannelHandler，负责处理特定类型的事件。当数据通过 Channel 时，它会在 ChannelPipeline 中的各个处理节点中依次经过，每个节点负责特定的处理。
对于 ChannelPipeline.addLast 添加的 ChannelHandler，它们的执行顺序是按照它们被添加的顺序来决定的。新添加的 ChannelHandler 会被添加到管道的尾部，因此会成为最后执行的处理器。
在读写的时候，事件的传递顺序如下：
-
写操作： 当有数据要被写入 Channel 时，数据会从
ChannelPipeline的尾部开始，依次经过每个ChannelHandler的write()方法，最终传递给底层的通道。 -
读操作： 当有数据从 Channel 读取时，数据会从
ChannelPipeline的头部开始，依次经过每个ChannelHandler的channelRead()方法，直到达到ChannelPipeline的尾部。
所以，在Netty Service向客户端写入数据的时候，从我们自定义的URLDispatcher中写入(其实内部会调用WebHdfsHandler)，然后会被ChunkedWriteHandler进行处理，即chunk by chunk的进行数据的编码，最后发送给客户端。
根据ChunkedWriteHandler的官方文档，如果我们使用ChunkedWriteHandler来进行Chunk Transfer Coding的数据传输，它的输入，即它的前一个Handler必须写入的是ChunkedInput格式，这就是WebHdfsHandler.onOpen()的处理方式，ChunkedStream是ChunkedInput的实现类：
private void onOpen(ChannelHandlerContext ctx) throws IOException {
........
resp = new DefaultHttpResponse(HTTP_1_1, OK);
HttpHeaders headers = resp.headers();
.....
final DFSClient dfsclient = newDfsClient(nnId, conf);
HdfsDataInputStream in = dfsclient.createWrappedInputStream(
dfsclient.open(path, bufferSize, true));
in.seek(offset);
long contentLength = in.getVisibleLength() - offset;
.......
final InputStream data;
........
headers.set(CONTENT_LENGTH, contentLength);
data = new LimitInputStream(in, contentLength);
ctx.write(resp); //先写元数据
ctx.writeAndFlush(new ChunkedStream(data) { // 再写content，即读取的文件流。这个文件流被封装为ChunkedStream，进而交给pipeline中的ChunkedWriteHanlder，最后发送给客户端
@Override
public void close() throws Exception {
super.close();
dfsclient.close();
}
}).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
Response Header中为什么没有Transfer-Encoding: chunked
但是很奇怪，我们从HttpUrlConnection收到的服务器端的Response Header中并没有看到Transfer-Encoding：chunked，相反，我们看到了Content-Length: 192832，难道文件并不是以Chunked Transfer-Encoding的编码方式发送的？
其实不是这样的。HttpUrlConnection对Chunked Transfer-Encoding的数据处理并完全依赖Transfer-Encoding：chunked的header，它可以自动识别数据本身的格式，然后在底层自动识别并解码Chunked Transfer-Encoding，然后直接将解码后的结以InputStream的方式返回给客户端。Netty的ChunkedWriteHandler帮我们发送数据到远程客户端时，尽管数据是按照chunked格式发送给的，但是其并不会帮我们加上Transfer-Encoding：chunked到Response header中去，但是客户端依然是可以正确解析到的。ChunkedWriteHandler的好处是：
- 提供更灵活的数据处理：
ChunkedWriteHandler可以接收FileRegion、HttpContent或ByteBuf对象，并负责将它们转换成分块的形式发送到下一个ChannelOutboundHandler。 - 自动处理分块传输：
ChunkedWriteHandler会自动将数据分块，确保数据按照Chunked Transfer Encoding规范传输。 - 对于大文件或大数据流，使用
ChunkedWriteHandler可以在传输过程中分块发送，降低内存占用。
我们看到， WebHDFS服务器端使用了ChunkedWriteHandler，因此在ChannelPipeline中，需要将读取块数据的InputStream封装成ChunkedStream，因为ChunkedStream是ChunkedInput接口的实现类：
final InputStream data;
if (contentLength >= 0) {
headers.set(CONTENT_LENGTH, contentLength);
data = new LimitInputStream(in, contentLength);
} else {
data = in;
}
ctx.write(resp);
ctx.writeAndFlush(new ChunkedStream(data) { //将读取块数据的InputStream封装为ChunkedStream，供ChunkedWriteHandler进行进一步的分块处理
@Override
public void close() throws Exception {
super.close();
dfsclient.close();
}
}).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
所以，其实ChunkedWriteHandler只是分块写入数据的一种更好的封装方式，方便了我们进行chunk数据的写入，但其实我们完全可以不用ChunkedWriteHandler而手动进行chunk数据写入，比如，我们自己在header中添加Transfer-Encoding：chunked，然后按照 Chunked Transfer Encoding 去写数据，服务端示例代码如下：
public class NettyChunkedWriteHandlerExample {
public static void main(String[] args) {
.....
try {
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
pipeline.addLast(new HttpServerCodec());
pipeline.addLast(new SimpleChannelInboundHandler<HttpMessage>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, HttpMessage msg) throws Exception {
FileInputStream fis = new FileInputStream("/Users/cwu/chunk-test");
ChunkedStream chunkedStream = new ChunkedStream(fis);
// 设置响应头
DefaultHttpResponse response = new DefaultHttpResponse(
HttpVersion.HTTP_1_1,
HttpResponseStatus.OK
);
HttpHeaders headers = response.headers();
headers.set(ACCESS_CONTROL_ALLOW_ORIGIN, "*");
headers.set(CONTENT_TYPE, APPLICATION_OCTET_STREAM);
headers.set(HttpHeaderNames.TRANSFER_ENCODING, HttpHeaderValues.CHUNKED); // 设置`Transfer-Encoding：chunked`
ctx.write(response);
chunk_write_stream(fis, ctx);
....
serverBootstrap.bind(8087).sync().channel().closeFuture().sync();
.....
}
public static void chunk_write_stream(InputStream inputStream, ChannelHandlerContext ctx) throws IOException {
// 读取文件并以 chunked 形式写入响应
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytesRead;
while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
if(bytesRead != 1024){
System.out.println("The final bytesRead is not 1024, its size is " + bytesRead);
byte[] buffer_copy = Arrays.copyOfRange(buffer, 0, bytesRead);
ctx.write(new DefaultHttpContent(Unpooled.copiedBuffer(buffer_copy)));
}else{
ctx.write(new DefaultHttpContent(Unpooled.copiedBuffer(buffer)));
}
}
//写入最后一个空字符
ctx.writeAndFlush(LastHttpContent.EMPTY_LAST_CONTENT).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
这时候我们看基于HttpURLConnection的客户端，可以看到，客户端识别了Transfer-Encoding：chunked，下层Stream的封装已经自动有了ChunkedInputStream，同样完成了基于chunk的数据传输。
测试WebHDFS是否支持chunk Transfer-Encoding时的一个错误导致的错误判断
我在最初测试WebHDFS是否支持 Chunked Transfer-Encoding，错误的代码差点儿导致我做出了错误的结论，认为从WebHDFS读取数据无法使用Chunked Transfer Encoding。
由于对Chunked Transfer-Encoding理解不正确，我以为要想让服务器端Chunk by Chunk的方式将文件传输过来，客户端需要在GET请求(由于是读文件，因此是GET请求)中添加Transfer-Encoding：chunked header，对于HttpURLConnection客户端，不用手动添加这个header，只需要调用connection.setChunkedStreamingMode(0);就可以了，我这样去做，但是服务器端抛出了一个400：
java.io.IOException: Server returned HTTP response code: 400 for URL: http://rccd101-7a.sjc2.dev.conviva.com:9864/webhdfs/v1/user/hadoop/hello-world/session_summaries.PT_HOURLY_2023-09-07_2023-09-07.sql-2?op=OPEN&user.name=hadoop&namenoderpcaddress=olap-hdfs-test&offset=0
at sun.net.www.protocol.http.HttpURLConnection.getInputStream0(HttpURLConnection.java:1914)
at sun.net.www.protocol.http.HttpURLConnection.getInputStream(HttpURLConnection.java:1512)
at WebHDFSReadFileExample.chunk_read(WebHDFSReadFileExample.java:45)
at WebHDFSReadFileExample.main(WebHDFSReadFileExample.java:86)
代码很简单，就是在创建HttpURLConnection的时候，增加了connection.setChunkedStreamingMode(0);。后来通过debug，发现，当我们调用connection.setChunkedStreamingMode(0);的时候，会带来了两个主要变化：
- 自动重定向会被disable：这个变化倒不是导致我们上面的异常的原因，但是需要引起注意。这意味着，即使我们没有显式地通过
connection.setInstanceFollowRedirects(false);去关闭自动重定向，如果调用了connection.setChunkedStreamingMode(0);，自动重定向也会被关闭。加入式读文件，那么我们需要手动识别并处理307； - GET请求会被自动变成POST请求：这是导致
400问题的原因。WebHDFS客户端是将Http Method和用户的operation联合在一起来识别操作的，代码如下。可以看到，如果是OPEN操作，那么Http Method必须是GET才能被识别，因此，一个POST类型的OPEN操作无法被识别：public void handle(ChannelHandlerContext ctx, HttpRequest req) throws IOException, URISyntaxException { String op = params.op(); HttpMethod method = req.getMethod(); if (PutOpParam.Op.CREATE.name().equalsIgnoreCase(op) && method == PUT) { onCreate(ctx); } else if (PostOpParam.Op.APPEND.name().equalsIgnoreCase(op) && method == POST) { onAppend(ctx); } else if (GetOpParam.Op.OPEN.name().equalsIgnoreCase(op) && method == GET) { onOpen(ctx); //读取文件的HTTP Method必须是Get } else if(GetOpParam.Op.GETFILECHECKSUM.name().equalsIgnoreCase(op) && method == GET) { onGetFileChecksum(ctx); } else if(PutOpParam.Op.CREATE.name().equalsIgnoreCase(op) && method == OPTIONS) { allowCORSOnCreate(ctx); } else { throw new IllegalArgumentException("Invalid operation " + op); }
- 那么，为什么我们调用
connection.setChunkedStreamingMode(0);，请求类型会被强制改成POST呢？因为connection.setChunkedStreamingMode(0);本来就应该是数据发送方的事情，数据的写入方通过设置Transfer-Encoding：chunked来告知数据接受方自己的数据是Chunked Transfer Coding，请按照Chunked Transfer Coding格式进行解析。所以，我们在读取WebHDFS文件的时候设置connection.setChunkedStreamingMode(0);是错误的操作。
WebHDFS的特性和不足总结
从上面的代码分析可以看到，先抛开性能差异不谈，在具体实现上，基于Hadoop Native的客户端的很多实现细节，肯定是无法在基于Http的WebHDFS中实现的。因此，WebHDFS表面上能成为Hadoop Native的替代，但是其实整个流程都发生了变化。总而言之，我们通过实验和HDFS的代码发现：
- WebHDFS不支持HDFS HA。但是这还好，我们可以在WebHDFS客户端上层手动做判断，实现HA。
- 写大文件的时候所有Block的第一个Replica会集中在某一台机器上。
- 读取文件的时候，文件的所有Block的读取操作都来自于第一个Block的某一个Replica机器
- 基于Http本身的限制，hedged read肯定完全不再可能。
- 数据的写入和读取都支持Chunked Transfer Coding
- 性能问题。我没有进行benchmark测试，有兴趣的读者可以自行寻找测试结果或者自行测试。
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