HDFS架构简介

Hadoop特点

• 扩容能力： 能可靠地存储和处理PB级的数据
• 成本低： 可以通过普通机器组成的服务器集群来分发以及处理数据。这些服务器总计可以达到千个节点。
• 高效率： 通过分发数据，Hadoop可以在数据所在节点上并行处理，速度非常快。
• 可靠性： Hadoop能自动地维护数据的多份副本，并且在任务失败后重新自动部署计算任务

Hadoop 2.0时期的架构图

Hadoop的核心组件： HDFS(分布式文件系统)、MapReduce(分布式编程框架)、YARN(运算资源调度系统)

• 整个Hadoop的体系结构主要是通过HDFS（Hadoop分布式文件系统）来实现对分布式存储的底层支持，并通过MR来实现对分布式并行任务处理的程序支持。
• HDFS是Hadoop体系中数据存储管理的基础。它是一个高度容错的系统，能检测和应对硬件故障，用于在低成本的通用硬件上运行。

HDFS组成

• HDFS采用主从（Master/Slave）结构模型，一个HDFS集群是由一个NameNode和若干个DataNode组成的。NameNode作为主服务器，管理文件系统命名空间和客户端对文件的访问操作。DataNode管理存储的数据。HDFS支持文件形式的数据。
• 从内部来看，文件被分成若干个数据块，这若干个数据块存放在一组DataNode上。NameNode执行文件系统的命名空间，如打开、关闭、重命名文件或目录等，也负责数据块到具体DataNode的映射。DataNode负责处理文件系统客户端的文件读写，并在NameNode的统一调度下进行数据库的创建、删除和复制工作。NameNode是所有HDFS元数据的管理者，用户数据永远不会经过NameNode。

HDFS特点

优点

• 高容错： 数据自动保存多个副本、某一个副本丢失以后，它可以自动恢复
• 批处理： 它是通过移动计算而不是移动数据、它会把数据位置暴露给计算框架。
• 规模大： 处理PB级数据、百万规模以上的文件数据量、高达10K的节点
• 流式文件访问： 一次写入，多次读取，一旦写入不能修改，只能追加
• 廉价： 计算机最廉价的就是硬盘

缺点

• 低延时访问不行，无法做到毫秒级的读写
• 小文件存储不合适，存储大量小文件(小文件指小于HDFS系统的Block大小的文件：默认64M)的话，它会占用 NameNode大量的内存来存储文件、目录和块信息。这样是不可取的，因为NameNode的内存总是有限的。小文件存储的寻道时间也会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标。
• 并发写入、文件随机修改不合适。一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写。仅支持数据 append（追加），不支持文件的随机修改。

HDFS组件

HDFS 采用Master/Slave的架构来存储数据，这种架构主要由四个部分组成，分别为HDFS Client、NameNode、DataNode和Secondary NameNode。

• Client： 上传大文件时先自行切成Block、与NameNode交互获取元数据、与DataNode读取或者写入数据、通过命令管理和访问HDFS。
• NameNode，它维护着HDFS文件系统中最重要的两个关系：
  ◇: 维护整个系统的文件目录树，以及文件的数据块索引，即每个文件对应的数据块列表。
  ◇: 数据块和数据节点的对应关系，即某一块数据块保存在哪些数据节点的信息。
• DataNode： 也称slave节点，存储实际的数据、执行数据块的读写、汇报存储信息给NameNode。
• Secondary NameNode： NameNode的冷备份。
  ◇: 定期合并 fsimage和fsedits，并推送给NameNode。
  ◇: 在紧急情况下，可辅助恢复 NameNode。
  ◇: 热备份， B是A的热备份，A挂掉之后，B立马能顶替A工作。
  ◇: 冷备份： B是A的冷备份，A挂掉之后，不能里面顶替A工作，但是能让A恢复某个时间段前的状态。

NameNode

• NameNode维护的第一个关系即目录树、元数据、数据块索引信息，这些都会定期持久化到物理硬盘上。实现是保存在命名空间的镜像fsimage和编辑日志edits中。
• NameNode维护的第二个关系是在NameNode启动后，每个Datanode对本地磁盘进行扫描，将本Datanode上保存的block信息汇报给Namenode，Namenode在接收到每个Datanode的块信息汇报后，将接收到的块信息，以及其所在的Datanode信息等保存在内存中。
• NameNode为了保证数据的安全性，除了在内存中保存着一份元数据外，在本地磁盘上保存着一份元数据镜像文件，就是fsimage。会由Secondary NameNode定期恢复。
• NameNode中包含fsimage（元数据镜像文件）、edits（操作日志文件）、fstime（保存最近一次恢复的时间）。
• 元数据： 比如FileName（文件名）、replicas（副本数量）、block-ids（文件被切割成的区块数量及区块组成），id2host（区块都在哪些DataNode上）等。
• edits是元数据操作日志
• 在NameNode启动时候，会先将fsimage中的文件系统元数据信息加载到内存，然后根据eidts中的记录将内存中的元数据同步至最新状态。
• 由此可看出，这两个文件一旦损坏或丢失，这个可以由Secondary NameNode恢复。
• fsimage\edits 是序列化后的文件，想要查看或编辑里面的内容，可通过 hdfs 提供的 oiv\oev 命令。
  ◇: 命令: hdfs oiv （offline image viewer） 用于将fsimage文件的内容转储到指定文件中以便于阅读,，如文本文件、XML文件，该命令需要以下参数.
      ◆: -i (必填参数) –inputFile 输入FSImage文件
      ◆: -o (必填参数) –outputFile 输出转换后的文件，如果存在，则会覆盖
      ◆: -p (可选参数） –processor 将FSImage文件转换成哪种格式： (Ls|XML|FileDistribution).默认为Ls
      ◆: 示例：hdfs oiv -i /data1/hadoop/dfs/name/current/fsimage_0000000000019372521 -o /home/hadoop/fsimage.txt
  ◇: 命令：hdfs oev (offline edits viewer 离线edits查看器）的缩写， 该工具只操作文件因而并不需要hadoop集群处于运行状态
      ◆: 示例: hdfs oev -i edits_0000000000000042778-0000000000000042779 -o edits.xml
  小结: NameNode管理着DataNode，接收DataNode的注册、心跳、数据块提交等信息的上报，并且在心跳中发送数据块复制、删除、恢复等指令；同时，NameNode还为客户端对文件系统目录树的操作和对文件数据读写、对HDFS系统进行管理提供支持

DataNode

• Block: 在HDFS中，每个文件都是采用的分块的方式存储，每个block放在不同的datanode上，每个block的标识是一个三元组（block id， numBytes，generationStamp），其中block id是具有唯一性，具体分配是由namenode节点设置。
  ◇: 若client为DataNode节点，那存储block时，规则为：副本1，同client的节点上；副本2，不同机架节点上；副本3，同第二个副本机架的另一个节点上；其他副本随机挑选。
  ◇: 若client不为DataNode节点，那存储block时，规则为：副本1，随机选择一个节点上；副本2，不同副本1，机架上；副本3，同副本2相同的另一个节点上；其他副本随机挑选。
• Packet：在DFSclient与DataNode之间通信的过程中，发送和接受数据过程都是以一个packet为基础的方式进行
  ◇: 一个文件被拆成多个block持续化存储
  ◇: 数据通讯过程中一个 block 被拆成 多个 packet。 一个 packet 包含多个 chunk
• Packet结构与定义： Packet分为两类，一类是实际数据包，另一类是heatbeat包

• 一个Packet是由Header和Data两部分组成，其中Header部分包含了一个Packet的概要属性信息， header如下：

Secondary NameNode

Secondary NameNode 的作用就是定期合并 fsimage 和 edits 日志，将 edits 日志文件大小控制在一个限度下。
       ● 当满足一定的条件时Secondary NameNode会采用Http get从NameNode下载edits和fsimage文件。
       ● 下载文件前，NameNode会重新生成edits.new，让后续的操作信息都存到这个新的edits文件当中。
       ● Secondary NameNode将这两个文件加载到内存并进行合并，生成新的fsimage.ckpt。
       ● 将fsimage.ckpt推送给NameNode，NameNode去掉fsimage.ckpt的后缀去掉，改成fsimage。
       ● 等到fsimage新的文件替换掉旧的fsimage的时候，旧的edits文件才会被新的edits文件所替换。
       ● 替换fsimage跟edits的过程称为一个检查 点 (checkpoint)。

• 如何判断一个checkpoint？

  
  

HDFS读文件

• 首先调用FileSystem对象的open方法，其实获取的是一个DistributedFileSystem的实例。
• DistributedFileSystem通过RPC(远程过程调用)获得文件的第一批block的locations，同一block按照重复数会返回多个locations，这些locations按照hadoop拓扑结构排序，距离客户端近的排在前面。
• 前两步会返回一个FSDataInputStream对象，该对象会被封装成 DFSInputStream对象，DFSInputStream可以方便的管理datanode和namenode数据流。DFSInputStream就会找出离客户端最近的datanode并连接datanode。
• 数据从datanode源源不断的流向客户端。
• 如果第一个block块的数据读完了，就会关闭指向第一个block块的datanode连接，接着读取下一个block块。
• 如果第一批block都读完了，DFSInputStream就会去namenode拿下一批blocks的location。
• Client读取某个区块是否成功，依靠CRC32校验和机制，原理是：每个文件的每个区块都有一个原始的校验和值，我们在把这个文件上传到HDFS系统的时候元数据便保存了这个初始值，如果后续这个文件的某个区块发生任何变化，那么这个校验和的值便会发生变化，那么当Client读取这个文件的这个区块的时候如果发现校验和已经发生了改变，那么说明这个文件很可能已经被损坏了。
• 小结：先连接NameNode获取BlockLocation，然后一批一批、一块一块的read data

HDFS写文件

• client通过调用 DistributedFileSystem 的create方法，创建一个新的文件。
• DistributedFileSystem 通过 RPC（远程过程调用）调用 NameNode，去创建一个没有blocks关联的新文件。创建前，NameNode 会做各种校验，比如文件是否存在，客户端有无权限去创建等。
• 前两步结束后会返回 FSDataOutputStream 的对象，FSDataOutputStream 被封装成 DFSOutputStream。客户端开始写数据到DFSOutputStream，DFSOutputStream会把数据切成一个个小packet，然后排成 data queue。
• DataStreamer 会去处理接受 data queue，它先问询 NameNode 这个新的 block 最适合存储的在哪几个DataNode里，把它们排成一个 pipeline。DataStreamer 把 packet 按队列输出到管道的第一个 DataNode 中，第一个 DataNode又把 packet 输出到第二个 DataNode 中，以此类推。
• DFSOutputStream 还有一个队列叫 ack queue，也是由 packet 组成，等待DataNode的收到响应，当pipeline中的所有DataNode都表示已经收到的时候，这时akc queue才会把对应的packet包移除掉。
• 客户端完成写数据后，调用close方法关闭写入流。 DataStreamer 把剩余的包都刷到 pipeline 里，然后等待 ack 信息，收到最后一个 ack 后，通知 DataNode 把文件标示为已完成。
• 小结： client从NameNode得知location后，将data分成Block[j]，比如64M的Block[0]切分成1000个64k的package，package[0]发给node[1]， node[1]传给node[2]，然后再传package[j]。全部写完后，client向NameNode发送消息表示写完毕。
  图片.png

HDFS启动

[root@itcast01 ~]# cd /usr/local/hadoop-2.9.1/sbin
[root@itcast01 sbin]#   ../bin/hdfs namenode -format
[root@itcast01 sbin]#  ./start-dfs.sh，    

#启动之后可以看到三个java进程： NameNode、SecondaryNameNode、DataNode

[root@itcast01 sbin]# jps
3369 Jps
2918 NameNode
3266 SecondaryNameNode
3008 DataNode
[root@itcast01 sbin]# 

参考资料

https://blog.csdn.net/u012453843/article/details/52463165
https://www.cnblogs.com/wujing-hubei/p/6005354.html
https://www.cnblogs.com/codeOfLife/p/5375120.html
http://hadoop.apache.org/docs/stable/hadoop-project-dist/hadoop-common/SingleCluster.html