Hadoop（四）HDFS集群详解
前言
前面几篇简单介绍了什么是大数据和Hadoop，也说了怎么搭建最简单的伪分布式和全分布式的hadoop集群。接下来这篇我详细的分享一下HDFS。
HDFS前言：
设计思想：（分而治之）将大文件、大批量文件，分布式存放在大量服务器上，以便于采取分而治之的方式对海量数据进行运算分析。
在大数据系统中作用：为各类分布式运算框架（如：mapreduce，spark，tez，……）提供数据存储服务。
分布式文件系统：
问题引发：海量数据超过了单台物理计算机的存储能力
解决方案：对数据分区存储与若干台物理主机中
分布式文件系统应运而生：
1）管理网络中跨多台计算机存储的文件系统
2）HDFS就是这样的一个分布式文件系统
一、HDFS概述
1.1、HDFS概述
1）HDFS集群分为两大角色：NameNode、DataNode
2）NameNode负责管理整个文件系统的元数据
3）DataNode负责管理用户的文件数据块
4）文件会按照固定的大小(blocksize)切成若干块后分布式存储在若干台datanode上
5）每一个文件块可以有多个副本，并存放在不同的datanode上
6）DataNode会定期向NameNode汇报自身保存的block信息，而namenode则会负责保持文件的副本数量
7）HDFS的内部工作机制对客户端保持透明，客户端请求访问HDFS都是通过namenode申请来进行
1.2、HDFS的概念和特性
1）HDFS的概念
HDFS采用了主从式（Master/Slave）的体系结构，其中NameNode（NN），DataNode（DN）和Client是HDFS中的3个重要角色。HDFS也在社区的努力下不断演进，包括支持文件追加，Federation，HA的引入等。
在一个HDFS中，有一个NN，一个SNN（Secondary NameNode）和众多的DN，在大型的集群中可能会有数以千计的DN。而Client，一般意义上比数据节点的个数还要多。
NN管理了HDFS两个最重要的关系：
1）目录文件树结构和文件与数据块的对应关系：会持久化到物理存储中，文件名叫做fsimage。
2）DN与数据块的对应关系，即数据块存储在哪些DN中：在DN启动时会上报到NN它所维护的数据块。这个是动态建立的，不会持久化。因此，集群的启动可能需要比较长的时间。
而DN则保存了数据块。并且执行NN的命令，比如复制，拷贝，删除等操作。Client则是使用HDFS的主题，包括写文件，读文件等常见操作。
总的来说：HDFS是一个文件系统，用于存储文件，通过统一的命名空间——目录树来定位文件。其次，它是分布式的，由很多服务器联合起来实现其功能，集群中的服务器有各自的角色。
2）HDFS的特性
2.1）HDFS中的文件在物理上是分块存储(Block)，块的大小可以通过配置参数(dfs.blocksize)来规定 默认大小在hadoop2.x版本中是128M，老版本中的64M
2.2）HDFS文件系统会给客户端提供一个统一的抽象目录树，客户端通过路径来访问文件，形如：hdfs://namenode:port/dir-a/dir-b/dir-c/file.data
2.3）目录结构及文件分块信息(元数据)的管理由namenode节点承担 namenode是HDFS集群主节点，负责维护整个HDFS文件系统的目录树以及每一个路径(文件)对应的block块信息(block的id，以及所在的datanode服务器)
2.4）文件的各个block的存储管理由datanode节点承担 datanode是HDFS集群从节点，每一个block都可以在多个datanode上存储多个副本(副本参数也可以通过参数设置dfs.replication)
2.5）HDFS适应一次写入，多次读出的场景，且不支持文件的修改。
注意：适合用来做数据分析，并不适合用来做网盘应用（因为不方便进行修改，延迟大，网络开销大，成本太高）
3）我们通过一张图来解释
通过上面的描述我们知道，hdfs很多特点：
保存多个副本，且提供容错机制，副本丢失或宕机自动恢复（默认存3份）。
运行在廉价的机器上
适合大数据的处理。HDFS默认会将文件分割成block，，在hadoop2.x以上版本默认128M为1个block。然后将block按键值对存储在HDFS上，并将键值对的映射存到内存中。如果小文件太多，那内存的负担会很重。
如上图所示，HDFS也是按照Master和Slave的结构。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode这几个角色。
NameNode：是Master节点，是大领导。管理数据块映射；处理客户端的读写请求；配置副本策略；管理HDFS的名称空间；
SecondaryNameNode：是一个小弟，分担大哥namenode的工作量；是NameNode的冷备份；合并fsimage和fsedits然后再发给namenode。
DataNode：Slave节点，奴隶，干活的。负责存储client发来的数据块block；执行数据块的读写操作。
热备份：b是a的热备份，如果a坏掉。那么b马上运行代替a的工作。
冷备份：b是a的冷备份，如果a坏掉。那么b不能马上代替a工作。但是b上存储a的一些信息，减少a坏掉之后的损失。
fsimage:元数据镜像文件（文件系统的目录树。）
edits：元数据的操作日志（针对文件系统做的修改操作记录）
namenode内存中存储的是=fsimage+edits。
SecondaryNameNode负责定时默认1小时，从namenode上，获取fsimage和edits来进行合并，然后再发送给namenode。减少namenode的工作量。
1.3、HDFS的局限性
1）低延时数据访问。在用户交互性的应用中，应用需要在ms或者几个s的时间内得到响应。由于HDFS为高吞吐率做了设计，也因此牺牲了快速响应。对于低延时的应用，可以考虑使用HBase或者Cassandra。
2）大量的小文件。标准的HDFS数据块的大小是64M，存储小文件并不会浪费实际的存储空间，但是无疑会增加了在NameNode上的元数据，大量的小文件会影响整个集群的性能。
前面我们知道，Btrfs为小文件做了优化-inline file，对于小文件有很好的空间优化和访问时间优化。
3）多用户写入，修改文件。HDFS的文件只能有一个写入者，而且写操作只能在文件结尾以追加的方式进行。它不支持多个写入者，也不支持在文件写入后，对文件的任意位置的修改。
但是在大数据领域，分析的是已经存在的数据，这些数据一旦产生就不会修改，因此，HDFS的这些特性和设计局限也就很容易理解了。HDFS为大数据领域的数据分析，提供了非常重要而且十分基础的文件存储功能。
1.4、HDFS保证可靠性的措施
1）冗余备份
每个文件存储成一系列数据块（Block）。为了容错，文件的所有数据块都会有副本（副本数量即复制因子，课配置）（dfs.replication）
2）副本存放
采用机架感知（Rak-aware）的策略来改进数据的可靠性、高可用和网络带宽的利用率
3）心跳检测
NameNode周期性地从集群中的每一个DataNode接受心跳包和块报告，收到心跳包说明该DataNode工作正常
4）安全模式
系统启动时，NameNode会进入一个安全模式。此时不会出现数据块的写操作。
5）数据完整性检测
HDFS客户端软件实现了对HDFS文件内容的校验和（Checksum）检查（dfs.bytes-per-checksum）。
二、HDFS基本概念
2.1、HDFS主从结构体系
2.2、数据块（DataBlock）
HDFS将每个文件存储成一系列的数据块，所有的数据块都是同样的大小。（在配置文件中配置每个数据块的大小，最后一块不一定大小一样）
文件中所有的数据块都会有副本，每个文件的数据块大小和副本系数都是可配置的。
HDFS中的文件都是一次写入的，并且严格要求在任何时候只能有一个写入者。
我们可以查看到通过：hdfs fsck / -file -bloks -locations
HDFS的配置参数：dfs.replication、dfs.blocksize
2.3、名字节点（主节点：NameNode）
1）概述
-NN是HDFS主从结构中主节点上运行的主要进程，它负责管理从节点DN。NN维护着整个文件系统的文件目录树，文件目录的元信息和文件的数据块索引。
这些信息以两种信息保存在本文文件系统中，一种是文件系统镜像（文件名字fsimage），另一种是fsimage的编辑日志（文件名字edits）。
-fsimage中保存着某一特定时刻HDFS的目录树、元信息和文件数据块的索引等信息，后续的对这些信息的改动，则保存在编辑日志中，它们一起提供了一个完整的NN的第一关系。
-通过NN，Client还可以了解到数据块所在的DN的信息。需要注意的是，NN中关于DN的信息是不会保存到NN的本地文件系统的，也就是上面提到的fsimage和edits中。
NN每次启动时，都会通过每个DN的上报来动态的建立这些信息。这些信息也就构成了NN第二关系。
-NN还能通过DN获取HDFS整体运行状态的一些信息，比如系统的可用空间，已经使用的空间，各个DN的当前状态等。
2）作用
维护着文件系统数中所有文件和目录的元数据
协调客户端对文件的访问
2.4、数据节点（从节点：DataNode）
1）概述
DN是HDFS中硬盘IO最忙碌的部分：将HDFS的数据块写到Linux本地文件系统中，或者从这些数据块中读取数据。DN作为从节点，会不断的向NN发送心跳。
初始化时，每个DN将当前节点的数据块上报给NN。NN也会接收来自NN的指令，比如创建、移动或者删除本地的数据块，并且将本地的更新上报给NN。
2）作用
接受客户端或NameNode的调度
存储和检索数据块
在NameNode的统一调度下进行数据块的创建、删除和复制
定期向NameNode发送自身存储的数据块列表
2.5、SecondaryNameNode
1）定期合并edits和fsImage（如果没有配置SecondaryNameNode由NameNode自己完成）
Secondary NameNode是用于定期合并fsimage和edits的。与NN一样，每个集群都有一个SNN，在大规模部署的条件下，一般SNN也独自占用一台服务器。
SNN按照集群配置的时间建个，不停的获取HDFS某一个时间点的fsimage和edits，合并它们得到一个新的fsimage。该fsimage上传到NN后会替换NN的老的fsimage。
2）防止edits日志文件过大
从上面可以看出，SNN会配合NN，为NN的第一关系提供了一个简单的CheckPoint机制，并避免出现edits过大，导致NN启动时间过长的问题。
3）提供那个NameNode的fsImage文件的检查点，以实现NameNode故障恢复
2.6、总结NameNode和DataNode
-HDFS集群有两种节点类型，Namenodes和Datanodes，它们工作于master-worker模式。一个namenode是master，一组datanodes是workers。namenode管理整个文件系统的namespace。
它维护一棵文件树和所有文件/目录的元信息。这些信息在namenode的本地磁盘上存成两个文件，一个是该namespace的镜像，另一个是编辑日志（edit log）。
namenode也知道每个文件的每个块都存在哪个datanode上了，但这个信息不会被持久化下来，因为每次启动时，这个信息会被重新生成。
-客户端程序通过访问namenode和datanodes来访问HDFS文件系统。但是用户代码根本不知道namenode和datanodes的存在，就像访问POSIX一样（Portable Operating System Interface：便携计算机系统接口）。
Datanodes是干苦力活的。当被客户端或namenode命令时，它存储和检索文件块（blocks）。它还会定期向namenode汇报它们存储的文件块列表。
-没有namenode，整个文件系统就没法用了。如果把namenode移除，整个文件系统里的文件就都丢失了，因为没办法知道如何重新组装存在各个datanodes里的文件块。
因此有必要保证namenode足够可靠，Hadoop提供了两种机制保证namenode里的数据安全。
-第一个机制是备份namenode上的持久化信息。可以配置hadoop，让namenode写持久化信息时写到多个地方，并且这些写操作是串行的并且是原子操作。通常的做法是写到本地磁盘一份，同时写到远程NFS上。
-另一个机制是配一个secondary namenode。虽然名字上叫namenode，但secondary namenode根本不做namenode的工作，它就是定期把namenode上的namespace镜像和编辑日志（edit log）合并到自己身上，以避免编辑日志过大。
secondary namenode通常是一台单独的机器，因为合并工作需要大量的CPU和内存资源。因为它的状态迟于namenode，所以，当namenode发生事故时，肯定是会有数据丢失的。
通常的做法是把namenode在NFS上的metadata文件拷贝到secondary namenode，然后启动这个secondary namenode，让它成为namenode。
四、单点故障（单点失效）问题
4.1、单点故障问题
如果NameNode失效，那么客户端或MapReduce作业均无法读写查看文件
4.2、解决方案
1）启动一个拥有文件系统元数据的新NameNode（这个一般不采用，因为复制元数据非常耗时间）
2）配置一对活动-备用（Active-Sandby）NameNode，活动NameNode失效时，备用NameNode立即接管，用户不会有明显中断感觉。
共享编辑日志文件（借助NFS、zookeeper等）
DataNode同时向两个NameNode汇报数据块信息
客户端采用特定机制处理 NameNode失效问题，该机制对用户透明
五、细说HDFS高可用性（HA：High-Availability）
1）前面在（2. Namenodes和Datanodes）提到的通过备份namenode上的持久化信息，或者通过secondary namenode的方式，只能解决数据不丢失，但是不能提供HA（高可用性），
namenode仍然是“单点失败”（SPOF：single point of failure）。如果namenode死掉了，所有的客户端都不能访问HDFS文件系统里的文件了，不能读写也不能列出文件列表。
六、HDFS的shell（命令行客户端）操作
6.1、HDFS的shell操作
2）运行一个文件系统命令在Hadoop集群支持的文件系统中
6.2、HDFS DFS命令详解
检查需要处理的数据（假定数据已经存放在hdfs的/user/hadoop⽬录下）
$> hadoop fs -ls /user/hadoop
看到测试数据⽬录weather_test，完整数据⽬录weather，专利数据⽬录patent即可，若没有则请从服务器下载并上传⾃⼰的⽬录下
1）建⽴⽬录(在hdfs的/user/xxx⽬录下操作）
$> hdfs dfs -mkdir input
2）查看⽂件或⽬录
$> hdfs dfs -ls
3）⽂件上传(将本地⽂件local_file上传到hdfs的/user/xxx⽬录下)
$> hdfs dfs -put local_file input
4）下载⽂件或⽬录到本地当前⽬录下
$> hdfs dfs -get input .
5）浏览hdfs中的⽂件
$> hdfs dfs -cat input/local_file
6）删除⽂件或者⽬录
$> hdfs dfs -rm input/local_file
7）在hdfs中复制⽂件或⽬录
$> hdfs dfs -cp input/local_file input/local_file.bak
8)修改权限
9）查看命令帮助
$> hdfs dfs -help [cmd]
6.3、HDFS管理命令
1）系统⽬录检查
$> hdfs fsck /user/xxx系统⽬录详细检测
$> hdfs fsck /user/xxx -files -blocks -locations -racks
2）检测DataNode报告
$> hdfs dfsadmin -report
3）权限管理
$> hdfs fs -chmod 666 /user/xxx
4）hdfs空间⽬录配额设置
$> hdfs dfsadmin -setSpaceQuota [N] /user/xxx
5）hdfs空间⽬录配额清除
$> hdfs dfsadmin -clrSpaceQuota /user/xxx
6）查看⽬录配额设置
$> hdfs fs -count -q /user/xxx
7）删除DataNode
$> hdfs dfsadmin -refreshNodes
总结：
注意HDFS中的文件系统也是和linux文件系统一样的。既然是文件系统也有根目录和家目录，在HDFS中“/”代表的就是根目录，而“/user”等于linux中的“/usr”下一级目录代表的就是用户了。
但是HDFS没有这个用户，所以就有了虚拟用户，也就是你当前HDFS的Linux系统当前用户就会默认为它的虚拟用户。当我们有一个zyh用户时，所以你就可以创建一个/user/zyh/下面的目录，就代表着家目录。
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