HDFS 架构

HDFS是Hadoop生态下的分布式文件系统，基于Linux本地文件系统上的文件系统，它的特点是：

1. 支持超大文件存储
2. 流式数据访问
3. 硬件故障的检测和快速应对
4. 简单的一致性模型
5. 不适合低延时数据访问、不适合大量小文件的存储、不适合并发写入、文件随机修改

架构图

架构图.png

• 数据块
  HDFS 文件以数据块的形式存储，数据块是HDFS文件处理的最小单元，由于HDFS文件往往比较大，同时为了最小化寻址开销，所以HDFS数据块也更大，默认是128MB。HDFS 数据块会以文件的形式存储在数据节点的磁盘上。
  在 HDFS 中，所有文件都会被切分成若干个数据块分布在数据节点上存储。在HDFS 读和写的操作中，数据块都是最小的单元。在读操作中，HDFS 客户端会首先到名字节点查找HDFS包含的数据块位置信息，然后根据位置信息从数据节点读取数据。而在写操作中，HDFS客户端也会首先从名字节点申请新的数据块，然后根据申请的数据块位置信息建立数据流管道写数据。

• NameNode
  NameNode 负责管理文件系统的命名空间，它维护着文件系统树及整棵树内所有的文件和目录，即元数据（MetaData）。元数据主要来说有两类：

  • 文件自身属性
    • 文件名称，权限，修改时间，文件大小，复制因子，数据块大小。
  • 文件块位置映射信息
    • 记录文件块和DataNode 之间的映射信息，即那个块位于哪个节点上。

• DataNode
  数据节点，分布在廉价的计算机上，用于存储数据。
  DataNode 保存数据的基本单元是块（Block）通常是64M或者128M，写入后不能修改，但是可以追加。文件最终会被分成多个Block的方式保存在DataNode 上。

  
  image.png

• Client
  客户端主要负责：

  1. 文件切分：文件上传HDFS的时候，Client 根据需求将文件切分成一个一个的块（Block），然后进行存储。
  2. 每个小数据块（Block）在其他服务器上都有副本，Client 会与NameNode进行通信，获取文件及其副本位置，为以后做打算。
  3. Client 与DataNode进行通信，读取或写入数据。
  4. 其他管理HDFS功能。

数据安全

• 多副本
  每一个文件可以配置副本数量，默认是3，副本的作用是防止因某个DataNode挂掉或磁盘损坏而导致数据丢失，除此之外块副本还可以提高块可读取的节点，提高 mapreduce 计算任务向数据移动的概率。

• 放置策略
  因为同一个DataNode放置相同的块数据是没有意义的，所以NameNode不允许DataNode具有同一块的多个副本，即副本数量配置不能大于DataNode节点的数量。

  image.png

  并且NameNode可以获取每个DataNode所属的机架ID，块副本数量配置信息也是保存在NameNode中，所以块的副本放置策略是由NameNode决定好返回给客户端的。
  副本放置策略简单总结为：

  • 三分之一的副本位于写入器所在的节点上。
  • 三分之二的副本位于写入器所在的同一个机架上。
  • 其余三分之一则平均分布在其余机架上。
  Snipaste_2022-11-02_02-12-22.png

  如果副本数大于3个，则随机确定其它的副本位置。

每个文件可以在写入时指定这个文件块的副本数量，也可以在未来修改某个文件的块副本数量，文件块的副本数量配置作为元数据的一部分保存在NameNode中。

当修改某个文件的块副本数量时，NameNode将重新根据策略复制或减少块副本。当某个DataNode超过一定的时间（默认10分钟）没有上报心跳给NameNode，NameNode将认为该DataNode不可用，将不会分配块写入到这个DataNode中，原来分配在这个DataNode的块副本将会重新在其它可用的DataNode上复制。

高可用

没有Namenode，HDFS就不能工作。事实上，如果运行namenode的机器坏掉的话，系统中的文件将会完全丢失，因为没有其他方法能够将位于不同datanode上的文件块(blocks)重建文件。因此，namenode的容错机制非常重要，Hadoop提供了两种机制：

• 第一种方式是将持久化存储在本地硬盘的文件系统元数据备份。Hadoop可以通过配置来让Namenode将他的持久化状态文件写到不同的文件系统中。这种写操作是同步并且是原子化的。比较常见的配置是在将持久化状态写到本地硬盘的同时，也写入到一个远程挂载的网络文件系统（NFS）。

• 第二种方式是运行一个辅助的Namenode(SecondaryNamenode)。 事实上SecondaryNamenode主要作用是定期的将Namespace镜像与操作日志文件(edit log)合并，以防止操作日志文件(edit log)变得过大。通常，SecondaryNamenode 运行在一个单独的物理机上，因为合并操作需要占用大量的CPU时间以及和Namenode相当的内存。辅助Namenode保存着合并后的Namespace镜像的一个备份，万一哪天Namenode宕机了，这个备份就可以用上了。
  但是辅助Namenode总是落后于主Namenode，所以在Namenode宕机时，数据丢失是不可避免的。在这种情况下，一般的，要结合第一种方式中提到的远程挂载的网络文件系统(NFS)中的Namenode的元数据文件来使用，把NFS中的Namenode元数据文件，拷贝到辅助Namenode，并把辅助Namenode作为主Namenode来运行。

一致性

• 文件租约
  在hdfs中，不允许多个writer同时写同一个文件。那么hdfs是如何做到这一点的呢？
  文件租约，换句话说，租约是提供给客户端的写文件操作的临时许可证，无此许可证将不被允许操作此文件。

文件写流程

TODO

文件读流程

TODO