NameNode对三大协议接口（NamenodeProtocol、ClientProtoco、DatanodeProtocol）进行实现，利用ipc::Server通过三个协议分别向SNN、Client、DN提供RPC服务（参考：Hadoop IPC）；
NameNode的核心是FSNamesysem；
FSNamesystem持有几大主要数据结构：FSDirectory维护系统目录结构、BlocksMap维护数据块信息、LeaseManagr维护租约信息；此外，还通过DatandeDescriptor、corruptReplicas等维护数据结点（DN）状态、坏副本等信息；
FSDirectory通过FSImage及FSEditLog保存目录结构的某一时刻镜像（image）及对镜像的修改（edit）；其中，修改的内容可以通过EditLogOutputStream写出；
Namespace（命名空间）
HDFS的Namespace（命名空间）用于记录系统中目录、文件、块之间的映射关系。
Namespace的内存结构
与传统使用习惯相同，HDFS使用了一棵树形结构。示意图如下：
INodeDirectory -/
|--- INodeFile -/
|--- BlockInfo
|--- BlockInfo
|--- INodeDirectory -/
|--- INodeFile
|--- INodeFile
INodeDirectory代表目录，目录可以映射到子目录及文件，文件映射到相关的文件块。
最顶层的目录—根目录（rootDir）由FSDirectory结构记录。
Namespace的外存存储
在需要的时候，NameNode可以将Namespace写出到磁盘。
写出时，从rootDir开始，对整棵命名树进行一次广度优先遍历，对遍历到的INode（INodeFile/INodeDirectory）依次写出到一个文件中。这个文件命名为fsImage。
fsImage是对Namespace的静态描述，在写出fsImage时，要求Namespace不可改变，而且比较耗时。
在整个系统提供连续服务的情况下，HDFS使用另一个文件记录Namespace的变化（添加/删除文件），对Namespace进行动态描述。这个文件命名为edits。
通过fsImage和edits的结合，可以即不影响服务，又能在外存记录Namespace的实时状态，避免因NameNode宕机造成元数据丢失。
BlocksMap
BlocksMap是NameNode保存block对象的容器。
所有的Block对象被封装成BlockInfo对象，BlockInfo对象组织成HashMap进行存储；
BlockInfo对象使用多个（与复本个数相同）三元组（triplets）保存每个block复本的位置信息；
三元组中第一个位元指向相应复本所在的DataNode；如图中虚线所示；
第二个位元指向相同DataNode中前一个Block；第三个位元指向相同DataNode中后一个Block；如图中实现所示，从一个DatanodeDescriptor开始，通过一个双向链表，可以找到该DataNode上所有的Block；
辅助线程
Namenode除服务主线程外，还有多个辅助线程如下：
| 线程名 | 描述 |
| hbthread | HeartbeatMonitor线程，每5秒运行一次，每5分钟检查一次节点列表，对心跳超时（10.5分种）的节点断定死亡；参见Heartbeat（心跳） |
| lmthread | LeaseMonitor线程，每2秒检查租约是否超过hardLimit（1h）；参见Lease（租约） |
| smmthread | SafeModeMonitor线程，进入safeMode时才创建运行，每1秒钟检查一次是否可以离开，离开safeMode后线程结束；参见safeMode（安全模式） |
| replthread | Replication线程，每3秒钟为Datanode分配replication任务，维护neededReplications和pendingReplications；参见Replication（复制） |
| nnrmthread | NamenodeResourceMonitor线程，每5秒运行一次，检查磁盘空间不足的情况下使NN进入safemode；参见NameNodeResourceMonitor |
| pendingReplications.timerThread | PendingReplicationBlocks线程，每5分钟将pendingReplications中的超时操作移到timedOutItems，见Replication（复制） |
| dnthread | DecommissionManager线程，默认每30秒最多检查5个节点的Decommission状态；参见Decommission（退役） |
| httpServer |