hdfs介绍

hdfs概念

HDFS是Hadoop分布式文件系统（Hadoop Distributed File System）的缩写，为分布式计算存储提供了底层支持。HDFS的设计思想：构建一个非常庞大的分布式文件系统。在集群中节点失效是正常的，节点的数量在Hadoop中不是固定的.单一的文件命名空间，保证数据的一致性，写入一次多次读取.典型的64MB的数据块大小，每一个数据块在多个 DN(DataNode)有复制.客户端通过NN(NameNode)得到数据块的位置，直接访问DN获取数据。
一个文件其实被分成一个或多个数据块（Block），这些块存储在一组Datanode上。Namenode执行文件系统的名字空间操作，比如打开、关闭、重命名文件或目录，它也负责确定数据块到具体Datanode节点的映射。Datanode负责处理文件系统客户端的读写请求，在 Namenode的统一调度下进行数据块的创建、删除和复制。

hdfs的核心组件

• NameNode功能

映射一个文件到一批的块，映射数据块到DN节点上。集群配置管理，数据块的管理和复制。处理事务日志：记录文件生成，删除等。因为NameNode的全部的元数据在内存中存储，所以NN的内存大小决定整个集群的存储量。此外，NameNode还保存了一个文件包括哪些数据块，分布在哪些数据节点上。然而，这些信息不存放在硬盘上，而是在系统启动的时候从数据节点收集而成的。
NN内存中保存的数据：

1. 文件列表
2. 每一个文件的块列表
3. 每一个DN中块的列表
4. 文件属性：生成时间,复制参数,文件许可(ACL)

• Secondary Namenode的功能

从元数据节点并不是NameNode出现问题时候的备用节点，它的主要功能是周期性的将NameNode中的namespace image和edit log合并，以防log文件过大。此外，合并过后的namespace image文件也会在Secondary NameNode上保存一份，以防NameNode失败的时候，可以恢复。

• edit log

修改日志。当文件系统客户端client进行------写------操作的时候，我们就要把这条记录放在修改日志中。在记录了修改日志后，NameNode则修改内存中的数据结构。每次写操作成功之前，edit log都会同步到文件系统中。

• fsimage

命名空间镜像。它是内存中的元数据在硬盘上的checkpoint。当NameNode失败的时候，最新的checkpoint的元数据信息就会从fsimage加载到内存中，然后注意重新执行修改日志中的操作。而Secondary NameNode就是用来帮助元数据节点将内存中的元数据信息checkpoint到硬盘上的。

• checkpoint的过程

checkpoint的过程如下：Secondary NameNode通知NameNode生成新的日志文件，以后的日志都写到新的日志文件中。Secondary NameNode用http get从NameNode获得fsimage文件及旧的日志文件。Secondary NameNode将fsimage文件加载到内存中，并执行日志文件中的操作，然后生成新的fsimage文件。Secondary NameNode将新的fsimage文件用http post传回NameNode。NameNode可以将旧的fsimage文件及旧的日志文件，换为新的fsimage文件和新的日志文件(第一步生成的)，然后更新fstime文件，写入此次checkpoint的时间。这样NameNode中的fsimage文件保存了最新的checkpoint的元数据信息，日志文件也重新开始，不会变的很大了

• DataNode功能

在本地文件系统存储数据块，存储数据块的元数据，用于CRC校验。响应客户端对数据块和元数据的请求。周期性的向NN报告这个DN存储的所有数据块信息。客户端要存储数据时从NN获取存储数据块的DN位置列表，客户端发送数据块到第一个DN上，第一个DN收到数据通过管道流的方式把数据块发送到另外的DN 上。当数据块被所有的节点写入后，客户端继续发送下一个数据块。DN每3秒钟发送一个心跳到NN，如果NN没有收到心跳在重新尝试后宣告这个DN失效。当 NN察觉到DN节点失效了,选择一个新的节点复制丢失的数据块。
数据块的放置位置和数据正确性：
在典型的配置里，数据块一个放在当前的节点，一个放在远程的机架上的一个节点，一个放在相同机架上的一个节点，多于3个的数据块随意选择放置。客户端选择最近的一个节点读取数据。Hadoop使用CRC32效验数据的正确性，客户端每512个byte计算一次校验，DN负责存储效验数据。客户端从DN获取数据和效验数据，如果效验出错，客户端尝试另外节点上复制的数据。

• HDFS存储

流水线复制：当客户端向HDFS文件写入数据的时候，一开始是写到本地临时文件中。假设该文件的副本系数设置为3，当本地临时文件累积到一个数据块的大小时，客户端会从Namenode获取一个Datanode列表用于存放副本。然后客户端开始向第一个Datanode传输数据，第一个Datanode一小部分一小部分(4 KB)地接收数据，将每一部分写入本地仓库，并同时传输该部分到列表中第二个Datanode节点。第二个Datanode也是这样，一小部分一小部分地接收数据，写入本地仓库，并同时传给第三个Datanode。最后，第三个Datanode接收数据并存储在本地。因此，Datanode能流水线式地从前一个节点接收数据，并在同时转发给下一个节点，数据以流水线的方式从前一个Datanode复制到下一个。

• HDFS读写流程

在HDFS中，文件的读写过程就是client和NameNode以及DataNode一起交互的过程。我们已经知道NameNode管理着文件系统的元数据，DataNode存储的是实际的数据，那么client就会联系NameNode以获取文件的元数据，而真正的文件读取操作是直接和DataNode进行交互的。

• 写文件的过程

客户端调用create()来创建文件DistributedFileSystem用RPC调用元数据节点，在文件系统的命名空间中创建一个新的文件。元数据节点首先确定文件原来不存在，并且客户端有创建文件的权限，然后创建新文件。DistributedFileSystem返回DFSOutputStream，客户端用于写数据。客户端开始写入数据，DFSOutputStream将数据分成块，写入data queue。Data queue由Data Streamer读取，并通知元数据节点分配数据节点，用来存储数据块(每块默认复制3块)。分配的数据节点放在一个pipeline里。Data Streamer将数据块写入pipeline中的第一个数据节点。第一个数据节点将数据块发送给第二个数据节点。第二个数据节点将数据发送给第三个数据节点。DFSOutputStream为发出去的数据块保存了ack queue，等待pipeline中的数据节点告知数据已经写入成功。如果数据节点在写入的过程中失败：

关闭pipeline，将ack queue中的数据块放入data queue的开始。
当前的数据块在已经写入的数据节点中被元数据节点赋予新的标示，则错误节点重启后能够察觉其数据块是过时的，会被删除。
失败的数据节点从pipeline中移除，另外的数据块则写入pipeline中的另外两个数据节点。
元数据节点则被通知此数据块是复制块数不足，将来会再创建第三份备份。

当客户端结束写入数据，则调用stream的close函数。此操作将所有的数据块写入pipeline中的数据节点，并等待ack queue返回成功。最后通知元数据节点写入完毕。

• 读取文件的过程

客户端(client)用FileSystem的open()函数打开文件DistributedFileSystem用RPC调用元数据节点，得到文件的数据块信息。对于每一个数据块，元数据节点返回保存数据块的数据节点的地址。DistributedFileSystem返回FSDataInputStream给客户端，用来读取数据。客户端调用stream的read()函数开始读取数据。DFSInputStream连接保存此文件第一个数据块的最近的数据节点。Data从数据节点读到客户端(client)当此数据块读取完毕时，DFSInputStream关闭和此数据节点的连接，然后连接此文件下一个数据块的最近的数据节点。当客户端读取完毕数据的时候，调用FSDataInputStream的close函数。 在读取数据的过程中，如果客户端在与数据节点通信出现错误，则尝试连接包含此数据块的下一个数据节点。失败的数据节点将被记录，以后不再连接。

• 块缓存
  通常datanode从磁盘读取块，但对于访问频繁的文件，其对应的块可能被显式的缓存在datanode的内存中，以堆外内存的形式存在。作业调度器（用于mapreduce，spark和其他计算引擎）通过在缓存块的datanode上运行任务，可以利用块缓存的优势提高读操作的性能。用户或者应用可以通过在缓存池（cache pool）中增加一个cache directive来告诉namenode需要缓存哪些文件以及存多久。缓存池是一个用于管理缓存权限和资源使用的管理性分组。

• 联邦hdfs
  namenode在内存中保存文件系统中每个文件和每个数据块的引用关系，这意味着对于一个拥有大量文件的超大集群来说，内存将成为限制系统横向扩展的瓶颈。在2.x发行版本系列中引入的联邦HDFS允许系统通过添加namenode实现扩展，其中每个namenode管理文件系统命名空间中的一部分。例如：一个namenode管理/usr目录下的所有文件，另一个namenode管理/share目录下的所有文件。