hadoop：hdfs架构及原理

HDFS简介

HDFS:Hadoop Distributed File System(hadoop分布式文件系统)
分布式，感觉好厉害的样子啊，有网络文件系统，有本地文件系统，现在又多了一个分布式的文件系统。之所以是要分布式，是数据要放到多个主机上面去。放的东西在集群中，就是分布式啦！
想要了解这个东东，先找一张原理图瞅瞅。

看不懂没关系，继续往下瞅就是了。

HDFS 1.0

每个一学习的模块要搞懂一个点内容，学完这个就需要对下面这些名词非常的了解。 Namenode Datanode
块 冷备份(sendarynamenode)

Namenode

namenode又称为名称节点，是负责管理分布式文件系统的命名空间（Namespace），保存了两个核心的数据结构，即FsImage和EditLog。 你可以把它理解成大管家，它不负责存储具体的数据。

• FsImage用于维护文件系统树以及文件树中所有的文件和文件夹的元数据
• 操作日志文件EditLog中记录了所有针对文件的创建、删除、重命名等操作
  注意，这个两个都是文件，也会加载解析到内存中。

为啥会拆成两个呢? 主要是因为fsimage这个文件会很大的，多了之后就不好操作了，就拆分成两个。把后续增量的修改放到EditLog中, 一个FsImage和一个Editlog 进行合并会得到一个新的FsImage.

因为它是系统的大管家，如果这个玩意坏了，丢失了怎么办。就相当于你系统的引导区坏了。那就玩完了。整个文件系统就崩溃了。 所以，这个重要的东西，需要备份。这个时候就产生了一个叫sendaryNamenode的节点用来做备份，它会定期的和namenode就行通信来完成整个的备份操作。具体的操作如下:

SecondaryNameNode的工作情况：
1. SecondaryNameNode会定期和NameNode通信，请求其停止使用EditLog文件，暂时将新的写操作写到一个新的文件edit.new上来，这个操作是瞬间完成，上层写日志的函数完全感觉不到差别；
2. SecondaryNameNode通过HTTP GET方式从NameNode上获取到FsImage和EditLog文件，并下载到本地的相应目录下；
3. SecondaryNameNode将下载下来的FsImage载入到内存，然后一条一条地执行EditLog文件中的各项更新操作，使得内存中的FsImage保持最新；这个过程就是EditLog和FsImage文件合并；
4. SecondaryNameNode执行完（3）操作之后，会通过post方式将新的FsImage文件发送到NameNode节点上
5. NameNode将从SecondaryNameNode接收到的新的FsImage替换旧的FsImage文件，同时将edit.new替换EditLog文件，通过这个过程EditLog就变小了

除了这个自带的备份操作，还需要进行人工的备份，把一份fsimage到多个地方进行备份，万一namenode的节点坏了呢。

DataNode

datanode数据节点，用来具体的存储文件，维护了blockId 与 datanode本地文件的映射。 需要不断的与namenode节点通信，来告知其自己的信息，方便nameode来管控整个系统。

这里还提到一个块的概念，就想linux本地文件系统中也有块的概念一样，这里也有块的概念。这里的块会默认是128m 每个块都会默认储存三份。

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HDFS 2.0

有问题，就得改。1.0上有很多的毛病，为了修复这些问题才出了2.0
* 单点故障问题
* 不可以水平扩展（是否可以通过纵向扩展来解决？）
* 系统整体性能受限于单个名称节点的吞吐量
* 单个名称节点难以提供不同程序之间的隔离性
* HDFS HA是热备份，提供高可用性，但是无法解决可扩展性、系统性能和隔离性

解决上面这些问题所使用的手段就是 热备份 federation

热备份 (HDFS HA)

• HDFS HA（High Availability）是为了解决单点故障问题
• HA集群设置两个名称节点，“活跃（Active）”和“待命（Standby）”
• 两种名称节点的状态同步，可以借助于一个共享存储系统来实现
• 一旦活跃名称节点出现故障，就可以立即切换到待命名称节点
• Zookeeper确保一个名称节点在对外服务
• 名称节点维护映射信息，数据节点同时向两个名称节点汇报信息

Federation(大概翻译成联盟)

多个命名空间。为了处理一个namenode的局限性，搞了几个namanode大家一起来管理。就像编程中的命名空间一样

• 在HDFS Federation中，设计了多个相互独立的名称节点，使得HDFS的命名服务能够水平扩展，这些名称节点分别进行各自命名空间和块的管理，相互之间是联盟（Federation）关系，不需要彼此协调。并且向后兼容
• HDFS Federation中，所有名称节点会共享底层的数据节点存储资源，数据节点向所有名称节点汇报
• 属于同一个命名空间的块构成一个“块池

HDFS Federation设计可解决单名称节点存在的以下几个问题：
1. HDFS集群扩展性。多个名称节点各自分管一部分目录，使得一个集群可以扩展到更多节点，不再像HDFS1.0中那样由于内存的限制制约文件存储数目
2. 性能更高效。多个名称节点管理不同的数据，且同时对外提供服务，将为用户提供更高的读写吞吐率
3. 良好的隔离性。用户可根据需要将不同业务数据交由不同名称节点管理，这样不同业务之间影响很小

原文参考：https://blog.csdn.net/xjz729827161/article/details/79463140

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1、HDFS 是做什么的

　　HDFS（Hadoop Distributed File System）是Hadoop项目的核心子项目，是分布式计算中数据存储管理的基础，是基于流数据模式访问和处理超大文件的需求而开发的，可以运行于廉价的商用服务器上。它所具有的高容错、高可靠性、高可扩展性、高获得性、高吞吐率等特征为海量数据提供了不怕故障的存储，为超大数据集（Large Data Set）的应用处理带来了很多便利。

2、HDFS 从何而来

　　HDFS 源于 Google 在2003年10月份发表的GFS（Google File System） 论文。 它其实就是 GFS 的一个克隆版本

3、为什么选择 HDFS 存储数据

　  之所以选择 HDFS 存储数据，因为 HDFS 具有以下优点：

　　1、高容错性

• 数据自动保存多个副本。它通过增加副本的形式，提高容错性。

• 某一个副本丢失以后，它可以自动恢复，这是由 HDFS 内部机制实现的，我们不必关心。

　　2、适合批处理

• 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。

　　3、适合大数据处理

• 处理数据达到 GB、TB、甚至PB级别的数据。

• 能够处理百万规模以上的文件数量，数量相当之大。

• 能够处理10K节点的规模。

　　4、流式文件访问

• 一次写入，多次读取。文件一旦写入不能修改，只能追加。

• 它能保证数据的一致性。

　　5、可构建在廉价机器上

• 它通过多副本机制，提高可靠性。

• 它提供了容错和恢复机制。比如某一个副本丢失，可以通过其它副本来恢复。

　　当然 HDFS 也有它的劣势，并不适合所有的场合：

　　1、低延时数据访问

• 比如毫秒级的来存储数据，这是不行的，它做不到。

• 它适合高吞吐率的场景，就是在某一时间内写入大量的数据。但是它在低延时的情况下是不行的，比如毫秒级以内读取数据，这样它是很难做到的。

　　2、小文件存储

• 存储大量小文件(这里的小文件是指小于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会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标。

　　3、并发写入、文件随机修改

• 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。

4、HDFS 如何存储数据

　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　HDFS的架构图

　　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。下面我们分别介绍这四个组成部分   

　　1、Client：就是客户端。

• 文件切分。文件上传 HDFS 的时候，Client 将文件切分成 一个一个的Block，然后进行存储。
• 与 NameNode 交互，获取文件的位置信息。
• 与 DataNode 交互，读取或者写入数据。
• Client 提供一些命令来管理 HDFS，比如启动或者关闭HDFS。
• Client 可以通过一些命令来访问 HDFS。

　　2、NameNode：就是 master，它是一个主管、管理者。

• 管理 HDFS 的名称空间
• 管理数据块（Block）映射信息
• 配置副本策略
• 处理客户端读写请求。

　　3、DataNode：就是Slave。NameNode 下达命令，DataNode 执行实际的操作。

• 存储实际的数据块。
• 执行数据块的读/写操作。

　　4、Secondary NameNode：并非 NameNode 的热备。当NameNode 挂掉的时候，它并不能马上替换 NameNode 并提供服务。

• 辅助 NameNode，分担其工作量。
• 定期合并 fsimage和fsedits，并推送给NameNode。
• 在紧急情况下，可辅助恢复 NameNode。

5、HDFS 如何读取文件

HDFS的文件读取原理，主要包括以下几个步骤：

• 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。客户端调用read方法，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。这些操作对客户端来说是透明的，从客户端的角度来看只是读一个持续不断的流。
• 如果第一批block都读完了，DFSInputStream就会去namenode拿下一批blocks的location，然后继续读，如果所有的block块都读完，这时就会关闭掉所有的流。

6、HDFS 如何写入文件

HDFS的文件写入原理，主要包括以下几个步骤：

• 客户端通过调用 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。如果校验通过，NameNode 就会记录下新文件，否则就会抛出IO异常。
• 前两步结束后会返回 FSDataOutputStream 的对象，和读文件的时候相似，FSDataOutputStream 被封装成 DFSOutputStream，DFSOutputStream 可以协调 NameNode和 DataNode。客户端开始写数据到DFSOutputStream,DFSOutputStream会把数据切成一个个小packet，然后排成队列 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，比如重复数是3，那么就找到3个最适合的 DataNode，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。

7、HDFS 副本存放策略

namenode如何选择在哪个datanode 存储副本（replication）？

这里需要对可靠性、写入带宽和读取带宽进行权衡。Hadoop对datanode存储副本有自己的副本策略，在其发展过程中一共有两个版本的副本策略，分别如下所示

8、hadoop2.x新特性

• 引入了NameNode Federation，解决了横向内存扩展
• 引入了Namenode HA，解决了namenode单点故障
• 引入了YARN，负责资源管理和调度

• 增加了ResourceManager HA解决了ResourceManager单点故障

　　1、NameNode Federation

    架构如下图

    

• 存在多个NameNode，每个NameNode分管一部分目录
• NameNode共用DataNode

　　这样做的好处就是当NN内存受限时，能扩展内存，解决内存扩展问题，而且每个NN独立工作相互不受影响，比如其中一个NN挂掉啦，它不会影响其他NN提供服务，但我们需要注意的是，虽然有多个NN，分管不同的目录，但是对于特定的NN，依然存在单点故障，因为没有它没有热备，解决单点故障使用NameNode HA

　　

2、NameNode HA

　　　　解决方案：

• 基于NFS共享存储解决方案
• 基于Qurom Journal Manager(QJM)解决方案

　　　　1、基于NFS方案

　　　　　　Active NN与Standby NN通过NFS实现共享数据，但如果Active NN与NFS之间或Standby NN与NFS之间，其中一处有网络故障的话，那就会造成数据同步问题

　　　　2、基于QJM方案

     　　架构如下图

     　　

    　　Active NN、Standby NN有主备之分，NN Active是主的，NN Standby备用的

    　　集群启动之后，一个namenode是active状态，来处理client与datanode之间的请求，并把相应的日志文件写到本地中或JN中；

    　　Active NN与Standby NN之间是通过一组JN共享数据（JN一般为奇数个，ZK一般也为奇数个），Active NN会把日志文件、镜像文件写到JN中去，只要JN中有一半写成功，那就表明Active NN向JN中写成功啦，Standby NN就开始从JN中读取数据，来实现与Active NN数据同步，这种方式支持容错，因为Standby NN在启动的时候，会加载镜像文件（fsimage）并周期性的从JN中获取日志文件来保持与Active NN同步

    　　为了实现Standby NN在Active NN挂掉之后，能迅速的再提供服务，需要DN不仅需要向Active NN汇报，同时还要向Standby NN汇报，这样就使得Standby NN能保存数据块在DN上的位置信息，因为在NameNode在启动过程中最费时工作，就是处理所有DN上的数据块的信息

    　　为了实现Active NN高热备，增加了FailoverController和ZK，FailoverController通过Heartbeat的方式与ZK通信，通过ZK来选举，一旦Active NN挂掉，就选取另一个FailoverController作为active状态，然后FailoverController通过rpc，让standby NN转变为Active NN

    　　FailoverController一方面监控NN的状态信息，一方面还向ZK定时发送心跳，使自己被选举。当自己被选为主（Active）的时候，就会通过rpc使相应NN转变Active状态

　　　　3、结合HDFS2的新特性，在实际生成环境中部署图

　　

上图有12个DN,有4个NN，NN-1与NN-2是主备关系，它们管理/share目录；

NN-3与NN-4是主备关系，它们管理/user目录。

原文参考：https://www.cnblogs.com/codeOfLife/p/5375120.html