Hadoop 分布式存储系统 HDFS的实例详解

HDFS是Hadoop Distribute File System 的简称，也就是Hadoop的一个分布式文件系统。

一、HDFS的优缺点

1.HDFS优点：

　　a.高容错性

　　　　.数据保存多个副本

　　　　.数据丢的失后自动恢复

　　b.适合批处理

　　　　.移动计算而非移动数据

　　　　.数据位置暴露给计算框架

　　c.适合大数据处理

　　　　.GB、TB、甚至PB级的数据处理

　　　　.百万规模以上的文件数据

　　　　.10000+的节点

　　d.可构建在廉价的机器上

　　　　.通过多副本存储，提高可靠性

　　　　.提供了容错和恢复机制

2.HDFS缺点

　　a.低延迟数据访问处理较弱

　　　　.毫秒级别的访问响应较慢

　　　　.低延迟和高吞吐率的请求处理较弱

　　b.大量小文件存取处理较弱

　　　　.会占用大量NameNode的内存

　　　　.寻道时间超过读取时间

　　c.并发写入、文件随机修改

　　　　.一个文件仅有一个写者

　　　　.仅支持Append写入

二、HDFS的架构

　　如上图所示，HDFS也是按照Master和Slave的结构。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode这几个角色。

　　NameNode：是Master节点，是大领导。管理数据块映射；处理客户端的读写请求；配置副本策略；管理HDFS的名称空间；

　　SecondaryNameNode：是一个小弟，分担大哥namenode的一部分工作量；是NameNode的冷备份；合并fsimage和fsedits然后再发给namenode。

　　DataNode：Slave节点，奴隶，干活的。负责存储client发来的数据块block；执行数据块的读写操作。

　　热备份：b是a的热备份，如果a坏掉。那么b马上运行代替a的工作。

　　冷备份：b是a的冷备份，如果a坏掉。那么b不能马上代替a工作。但是b上存储a的一些信息，减少a坏掉之后的损失。

　　fsimage:元数据镜像文件（文件系统的目录树。）

　　edits：元数据的操作日志（针对文件系统做的修改操作记录）

　　namenode内存中存储的是=fsimage+edits。

　　SecondaryNameNode负责定时默认1小时，从namenode上，获取fsimage和edits来进行合并，然后再发送给namenode。减少namenode的工作量。

三、HDFS数据存储单元（block）

1.文件被切割成固大小的数据块

　　a.默认数据块大小是64MB，数据块大小可配置

　　b.若数据块大小不到64MB，则单独成一个数据块

2.一个文件存储方式

　　a.按大小切割成若干个block，存储在不同的节点上

　　b.每个block默认存三个副本

　　block大小和副本数由Client上传文件的时候设置，文件上传成功以后，副本数可以变更，但是Block 大小不可变。

四、HDFS设计思想

　　一个50G的文件上传到HDFS上，首先该文件被切割成了若干个64MB的block，block1在node1,node2,node3上存储了3（默认3个，可以设置）个副本，block2在node2,node3,node4上存储了3个副 本block3....直到所有的block都存储3个副本；

五、NameNode（NN）、 SencondryNameNode （SNN）、DataNode（DN）

1.NameNode (NN) 的工作

　　a.接受客户端的读写服务

　　b.保存metadata的信息，包括：文件的owership和permissions、文件包含哪些block、block保存在哪些DataNode节点上（在启动时由DataNode上报）

　　c.NameNode 的metadata信息会在启动后加载到内存中

　　　　.metadata信息在磁盘上存储的文件为“fsimage”

　　　　.Block的位置信息不保存在fsimage中（由DataNode上报）

　　　　.edits中保存对metadata的操作日志

2.SecondryNameNode(SNN) 的工作

　　a.它不是NN的备份（但可以做NN的部分备份的工作），它的主要工作是帮助NN合并edits log 减少NN的启动时间

　　b.SNN合并时机

　　　　.根据配置文件设置的时间间隔fs.checkpoint.period 默认3600秒

　　　　.根据配置文件设置的edits log的大小 fs.checpoint.size 默认的edits log 大小为64MB

　　c.SNN合并流程

　　　　1>NN 创建一个新的edits log 来接替老的 edits 的工作

　　　　2>NN 将fsimage 和 旧的edits 拷备到 SNN上

　　　　3>SNN上进行合并操作，产生一个新的fsimage

　　　　4>将新的fsimage 复制一份到NN上

　　　　5>使用新的fsimage 和 新的edits log

3.DataNode （DN）

　　a.存储数块（block）

　　b.启动DN线程时，DN会自动向NN汇报Block的信息

　　c.NN向DN发送心跳检测，与其DN保持联系（3秒一次） 如果NN 连续10分钟没有收到DN的心跳，则认为该DN已经lost,并从其他DN中备份一份该DN上的所有block

　　d.block的放置策略

　　　　.第一个副本，放置在上传文件的DN上，如果是集群外提交，则随便选择一台磁盘、内存、CPU不太忙的节点存储

　　　　.第二个副本，放置在与第一个副本不同机架上的节点上

　　　　.第三个副本，放置在与第二个副本相同机架上的相邻的节点上

　　　　.更多副本随机放置

六、HDFS的写流程和读流程

1.HDFS写流程

　　　　例：

　　有一个文件FileA，100M大小。Client将FileA写入到HDFS上。

　　HDFS按默认配置。

　　HDFS分布在三个机架上Rack1，Rack2，Rack3。

　　a.Client将FileA按64M分块。分成两块，block1和Block2;

　　b.Client向nameNode发送写数据请求，如图蓝色虚线①------>。

　　c.NameNode节点，记录block信息。并返回可用的DataNode，如粉色虚线②--------->。

　　Block1: host2,host1,host3

　　Block2: host7,host8,host4

原理：

NameNode具有RackAware机架感知功能，这个可以配置。

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。

　　d.client向DataNode发送block1；发送过程是以流式写入。

　　　　1>将64M的block1按64k的package划分;

　　　　2>然后将第一个package发送给host2;

　　　　3>host2接收完后，将第一个package发送给host1，同时client想host2发送第二个package；

　　　　4>host1接收完第一个package后，发送给host3，同时接收host2发来的第二个package。

　　　　5>以此类推，如图红线实线所示，直到将block1发送完毕。

　　　　6>host2,host1,host3向NameNode，host2向Client发送通知，说“消息发送完了”。如图粉红颜色实线所示。

　　　　7>client收到host2发来的消息后，向namenode发送消息，说我写完了。这样就真完成了。如图黄色粗实线

　　　　8>发送完block1后，再向host7，host8，host4发送block2，如图蓝色实线所示。

　　　　9>发送完block2后，host7,host8,host4向NameNode，host7向Client发送通知，如图浅绿色实线所示。

　　　　10>client向NameNode发送消息，说我写完了，如图黄色粗实线。。。这样就完毕了。

　　分析，通过写过程，我们可以了解到：

　　　　①写1T文件，我们需要3T的存储，3T的网络流量贷款。

　　　　②在执行读或写的过程中，NameNode和DataNode通过HeartBeat进行保存通信，确定DataNode活着。如果发现DataNode死掉了，就将死掉的DataNode上的数据，放到其他节点去。读取时，要读其他节点去。

　　　　③挂掉一个节点，没关系，还有其他节点可以备份；甚至，挂掉某一个机架，也没关系；其他机架上，也有备份。

2.读流程

　　　　例：

　　　读操作就简单一些了，如图所示，client要从datanode上，读取FileA。而FileA由block1和block2组成。

　　 那么，读操作流程为：

　　　　a.client向namenode发送读请求。

　　　　b.namenode查看Metadata信息，返回fileA的block的位置。

　　　　 block1:host2,host1,host3

　　　　block2:host7,host8,host4

　　　　c.block的位置是有先后顺序的，先读block1，再读block2。而且block1去host2上读取；然后block2，去host7上读取；

七、HDFS文件权限

　　1.与linux系统文件权限类似

　　　　r:read w:write x:execute 权限x对于文件忽略，对于文件夹表示是否允许访问

　　2.如果linux系统用户zhangsan使用hadoop命令创建一个文件 ，那么该文件在HDFS中的所有者就是zhangsan。

　　3.HDFS权限的目：阻止好人做错事，而不是阻止坏人做坏事；例：只要是zhangsan上传的文件，那HDFS就认为这个文件属于张三，当下次过来操作的还是zhangsan那就可以操作，而不需要密码验证之类的操作。

八、安全模式

在NameNode启动以后会一段时间是处于安全模式，在安全模式下只可查看不能修进行其他操作，因为在安全模式下NN和DN需要做很多工作；

　　1.NN 启动的时候首先需要将fsimage 载入内存，并执行编辑日志中的各项操作。

　　2.一旦在文件系统中建立了一个新的元数据的映射，则创建一个新的fsimage 文件（与SNN配合）和一个空的edits文件

　　3.安全模式下的NameNode，对客户端是只读的（显示文件目录、内容等 ，其他的删除、修改、重命名操作都会失败）

　　4.在安全模式下，NameNode会收集来自DataNode汇报的block的信息，如果DN汇报的block的最副本数大于设置的最小副本数，则会认为是“安全”的。

　　　如果有block的副本数没有达到设置的最小副本数，则该block会被复制直到达到设置的最小副本数为止。

总结

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