HDFS原理

1，HDFS体系结构

··· HDFS是采用master/slaves即主从结构模型来管理数据的。这种模型主要由四部分组成，分别是Client、NameNode、DataNode、SecondaryNameNode。一个HDFS集群包括一个 NameNode(HA除外)和若干个 DataNode以及一个SecondaryNameNode。其中，NameNode是名称节点，负责管理HDFS的文件命名空间和处理client的请求。DataNode负责保存实际的数据，并负责管理客户端的读写请求，在NameNode的调度下进行数据的增删改查和复制；DataNode会定期向NameNode发送心跳包来汇报自己的存活信息和块的信息。用户在使用Client进行 I/O操作时，与使用普通文件系统一样，但是在HDFS内部，HDFS会将存入的文件进行分块并保存在若干个DataNode上。SecondaryNameNode负责帮助把NameNode上的edit文件合并到fsimage文件，再发送给NameNode，实现冷备份。

 

2，HDFS组件

··· NameNode

    · 管理系统的命名空间，并用fsimage和edit来保存。

    · 在内存中保存块的位置信息。

    · 实施副本冗余策略，以及处理客户端的请求。

··· DataNode

    · 保存实际的数据。

    · 提供数据的读写。

    · 心跳机制(3秒)。汇报自身信息和数据信息。

··· SecondaryNameNode

    · 帮助NameNode合并fsimage和edit文件。

    · 实现冷备份。

    · 检查点机制。

··· Client

    · 为用户访问HDFS提供接口。可以不属于HDFS集群。

    · 与NameNode交互，获取文件块的位置。

    · 与DataNode交互，读写数据。

    · 上传时分块，读取时分片。

 

3，HDFS工作机制

··· 心跳机制

    · DataNode通过心跳机制向NameNode汇报自身存活信息(3秒)；启动时会汇报数据块信息，此后每隔一个小时汇报一次

    · NameNode通过心跳机制向DataNode发送指令。

    · NameNode启动后会开启一个IPC服务，等待DataNode节点连接。DataNode启动后就会主动连接。

    · 如果主节点长时间没有收到从节点发来的信息，就会认为从节点挂了。

    · 超时时间：2*recheck + 10*heartbeat；recheck默认是5分钟，heartbeat默认是30秒，所以超时时间为10分钟30秒。

··· 检查点机制

    · SecondaryNameNode负责合并fsimage和edit文件；减少edit文件大小，缩短启动时间，更快的推出安全模式。

    · 两个文件的合并周期，称之为检查点机制。

    · 在hdfs-site.xml中配置。默认1个小时合并一次；或者txid执行次数达到100万次，每1小时检查一次txid文件。

 

··· 机架感知

    · 在部署hadoop集群时，节点之间的距离会影响数据备份的速度。

    · 第一个副本在client所在的节点，如果client在集群外，则随机选一个。

    · 第二个副本与第一个副本在不同的机架，节点随机选一个。

    · 第三个副本与第二个副本在同一个机架，但是在不同的节点。

 

4，HDFS启动过程

··· NameNode启动时会将fsimage读入内存，然后执行editLog文件中的各项操作，使内存中的元数据保持最新。然后创建一个新的fsimage文件和一个空的editLog文件，此后的操作都写入新的editLog文件中。在这个过程中NameNode处于安全模式，只能对外提供读操作，不能进行写操作；启动结束后就可以进入正常状态，可读写。

··· 集群模式启动时会启动slaves文件中记录的主机中的DataNode进程。DataNode启动时会主动向NameNode发送自己保存的块的信息，此后每隔一个小时发送一次。

 

5，读数据流程

··· 1，client通过FileSystem对象的open方法来打开要读取的文件(编写的代码)，对于HDFS来说，这个对象是DistributedFileSystem，他通过RPC调用NameNode，来确定文件起始块的位置。

··· 2，对于每一个块，NameNode会返回存有该块的DataNode的地址，并按照距离client的远近来排序。

··· 3，DistributedFileSystem是的实例会返回一个FSDataInputStream对象给client，以便读取数据；然后client就可以调用FSDataInputStream实例的read方法来获取数据。

··· 4，FSDataInputStream随即连接与第一个块距离最近的DataNode，通过反复调用read方法将数据从DataNode传输到client；当传输到块的末端时，FSDataInputStream关闭与DataNode的连接，并寻找下一个块的最佳DataNode。

··· 5，读取时是按块读取的，当client读取完成时就会调用FSDataInputStream的close方法。

··· 6，如果读取的过程中出现错误，数据损坏，则会到其他DataNode副本上读取数据，并将损坏的DataNode汇报给NameNode。

 

6，写数据流程

··· 1，client通过FileSystem对象的create方法来创建一个新文件；对于hdfs系统，DistributedFileSystem对NameNodeRPC创建一个RPC调用，在文件系统的命名空间中新建一个文件，此时该文件中还没有相应的数据块。

··· 2，NameNode执行各种不同的检查，以确保这个文件不存在，以及客户端有创建文件的权限。如果检查失败则向客户端抛出一个IOException；如果成功，则DistributedFileSystem向客户端返回一个FSDataOutputStream对象，于是客户端就可以开始写数据了。

··· 3，客户端在写入数时，FSOutputStream将它分成一个个数据包(packet)，并写入内部的 数据队列(data queue)。DataStreamer线程负责处理数据队列，向NameNode请求上传一个block(0~128M)，NameNode这时会为这个文件分配一个数据块，并返回给客户端一组DataNode。

··· 4，以默认3个副本为例，这三个DataNode会构成一个管道；DataStreamer将数据流式传输到管道中的第一个DataNode的内存中，这个DataNode在把数据包写入到本地磁盘的同时，会将这个数据包发送到第二个DataNode；同样，第二个DataNode也会发送给第三个DataNode。DateStreamer在将一个个packet流式传输到第一个DataNode后，还会将此packet移动到 确认队列(ack queue)中。DataNode写入数据成功后，会向ResponseProcessor线程发送一个成功的信息回执，当收到所有DataNode的确认信息后，ResponseProcessor线程会将该数据包从确认队列中删除。

··· 5，如果任何DataNode在写入数据时发生故障。首先会关闭管道，然后把确认队列中的所有数据移动到数据队列中的最前端，以确保故障节点下游DataNode的不会漏掉 任何一个数据包；为一个正常的DataNode的当前数据块创建一个标识，并把该标识传给NameNode，以便故障DataNode在恢复后可以删除保存的部分数据块；删除故障的DataNode，正常的两个DataNode构成新的管道，并把余下的数据写入新的管道中；NameNode发现副本不足，会在一个新的DataNode上创建副本。

 

 

 

7，DataStreamer线程与Packet

··· 1，client会写数据到流内部的一个缓冲区中，然后数据被分成多个packet，每个packet的大小是64k字节；而每个packet又由一组chunk和这组chunk对应得checksum组成，每个chunk大小为512字节，而checksum是对chunk计算的校验和。

··· 2，当client写入的流数据达到一个packet的长度时，这个packet就会被构建出来，然后放入dataQueue队列中；然后DataStreamer会不断的从dataQueue队列中取出packet，发送到DataNode管道中的第一个DataNode，并将该packet从dataQueue队列移动到ackQueue队列。

··· 创建packet：client写数据时，当长度满足一个chunk大小(512B)时，便会创建一个packet对象，然后向packet对象中写checksum和实际数据；每满足一个chunk时就会向packet对象中写入上诉信息；直到    达到一个packet大小(64KB)，就会将该packet放入dataQueue队列中，等待DataStreamer线程取出。

 

 

 

注意事项

    · client(客户端)就是我们写代码所在的机器，可以不属于HDFS集群。

    · HDFS中的分块是实际的物理分块，而MapReduce中的分片是逻辑分片。

    · hdfs中不适合存储小文件，因为一个块的元数据大约为150字节，1亿个块无论大小都会占用20G左右的内存。

    · 由于fsimage的访问承受能力有限，所以先把修改操作保存到edit文件，再在空闲时合并到fsimage。

    · hdfs的安全模式相当于维护模式，不允许添加和修改hdfs上的文件。默认是关闭的可以通过hdfs dfsadmin -safemode          enter打开(enter | leave | get | wait)。

    · NameNode的fsimage不会保存块在哪个DataNode，即NameNode不会在磁盘中保存块的位置信息，而是在每次启            动时由DataNode汇报块的信息，然后NameNode将这些信息保存在内存中。