【图文详解】HDFS基本原理

本文主要详述了HDFS的组成结构，客户端上传下载的过程，以及HDFS的高可用和联邦HDFS等内容。若有不当之处还请留言指出。

当数据集大小超过一台独立的物理计算机的存储能力时，就有必要对它进行分区，并存储到若干台独立的计算机上。Hdfs是Hadoop中的大规模分布式文件存储系统。

HDFS的特点

• HDFS文件系统可存储超大文件

1）HDFS是一种文件系统，自身也有块（block）的概念，其文件块要比普通单一磁盘上文件系统大的多，hadoop1.0上默认是 64MB，2.0默认是128MB。与其他文件系统不同的是，HDFS中小于一个块大小的文件不会占据整个块的空间。

2）HDFS上的块之所以设计的如此之大，其目的是为了最小化寻址开销。如果块设置得足够大，从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块开始位置所需的时间。

3）HDFS文件的所有块并不需要存储在一个磁盘上，因此可以利用集群上任意一个磁盘进行存储，由于具备这种分布式存储的逻辑，所以可以存储超大的文件。

• HDFS同一时刻只允许一个客户端对文件进行追加写操作（不支持多个写入者的操作，也不支持在文件的任意位置修改），这样避免了复杂的并发管理功能，但也限制了系统性能。

• 运行在普通廉价的机器上

Hadoop 的设计对硬件要求低，无需昂贵的高可用性机器上，因为在 HDFS 设计中充分考虑到了数据的可靠性、安全性和高可用性。

• HDFS适合存储大文件并为之提供高吞吐量的顺序读/写操作，不太适合大量随机读的应用场景，也不适合存大量小文件的应用场景。HDFS是为高吞吐量应用优化的，会以提高时间延迟为代价，因此不适合处理低时延的数据访问的应用。

HDFS体系架构

• HDFS 是一个主/从（Master/Slave）体系架构，由于分布式存储的性质，集群拥有两类节点 NameNode 和 DataNode。

• NameNode（名称节点）：系统中通常只有一个，中心服务器的角色，管理存储和检索多个 DataNode 的实际数据所需的所有元数据，响应客户请求。

• DataNode（数据节点）：系统中通常有多个，是文件系统中真正存储数据的地方，在NameNode 统一调度下进行数据块的创建、删除和复制。

NameNode

NameNode负责整个分布式文件系统的元数据，包括文件目录树，文件到数据块Block的映射关系等。这些数据保存在内存里，同时这些数据还以两个文件形式永久保存在本地磁盘上：命名空间镜像文件（fsimage）和编辑日志文件（editlog）。fsimage是内存命名空间元数据在外存的镜像文件，editlog文件则记录着用户对文件的各种操作记录，当客户端对hdfs中的文件进行新增或者修改操作，操作记录首先被记入editlog文件中，当客户端操作成功后，相应的元数据会更新到内存meta.data中，防止发生意外导致丢失内存中的数据。fsimage和editlog两个文件结合可以构造出完整的内存数据。

NameNdoe还负责对DataNode的状态监控。DataNode定期向NameNode发送心跳以及所存储的块的列表信息。NameNode可以知道每个DataNode上保存着哪些数据（Block信息），DataNode是否存活，并可以控制DataNode启动或是停止。若NameNode发现某个DataNode发生故障，会将其存储的数据在其他DataNode机器上增加相应的备份以维护数据副本（默认为3，可在配置文件中配置）保持不变。

如果NaneNode服务器失效，集群将失去所有的数据。因为我们将无从知道哪些DataNode存储着哪些数据。因此NameNode的高可用，容错机制很重要。

DataNode

DataNode负责数据块的实际存储和读/写工作。在hadoop1.0时，DataNode的数据块默认大小为64M，2.0版本后，块的默认大小为128M。当客户端上传一个大文件时，HDFS会自动将其切割成固定大小的Block，每个块以多份的形式存储在集群上，默认为3份。

• Datanode掉线判断

datanode进程死亡或者网络故障造成datanode无法与namenode通信，namenode不会立即把该节点判定为死亡，要经过一段时间，这段时间暂称作超时时长。HDFS默认的超时时长为10分钟+30秒。如果定义超时时间为timeout，则超时时长的计算公式为：

timeout  = 2 * heartbeat.recheck.interval + 10 * dfs.heartbeat.interval
而默认的heartbeat.recheck.interval 大小为5分钟，dfs.heartbeat.interval默认为3秒。
需要注意的是hdfs-site.xml 配置文件中的heartbeat.recheck.interval的单位为毫秒，dfs.heartbeat.interval的单位为秒。

配置文件

<property>
		#NameNode向DataNode发起的请求，要求其发送心跳信息的时间间隔
        <name>heartbeat.recheck.interval</name>
        <value>8000</value>
</property>
<property>
		#DataNode发送心跳的时间间隔
        <name>dfs.heartbeat.interval</name>
        <value>3</value>
</property>

• 数据副本块数量与默认数量不同

    <property>
    #DataNode默认60分钟向NameNode提交自己的Block信息
    <name>dfs.blockreport.intervalMsec</name>
    <value>3600000</value>
    </property>
  

  如果一台DataNode经过10分30秒（默认）后没有给NameNode发送心跳信息，而被NameNode判断为死亡，NameNode会马上将其上的数据备份到集群中其他机器上。当这个DataNode节点排除故障后，重新回到集群中，该节点上还保存着原来那批数据，而默认的配置情况下，DataNode会每隔60分钟向NameNode发送一次Block信息，在这段时间内，集群中会有某些数据块多出一个备份。在NameNode收到该节点的Block信息后，它发现数据备份多了才会命令某些DataNode删除掉多余的备份数据。

客户端上传文件

步骤详解：

1）向namenode请求上传文件

2）namenode检查客户端要求上传的文件是否已存在，父目录是否存在

3）namenode响应客户端是否可以上传文件

4）若第3步获得可以上传的信息，客户端向namenode发出请求，询问第一块block该上传到哪里

5）namenode查询datanode信息（忙碌情况，远近情况等）

6）namenode返回3个datanode地址给客户端

7）客户端请求与最近的一个datanode节点（假设为datanode1）建立传输通道，并告知其还要传给datanode2和datanode3。datanode1会请求与datanode2建立连接，datanode2会请求与datanode3建立连接。

8）datanode3响应datanode2的连接请求，通道建立成功。同理，datanode2响应datanode1，datanode1响应客户端。

9）客户端收到通道建立成功的消息后，开始向datanode1发送block1的数据，以一个个package（64k）为单位通过通道向datanode1写数据，datanode1收到数据会将其存在本地缓存中，一边向datanode2传数据，一边将缓存中的数据保存到磁盘上。

10）客户端在传送数据时会有一个package的应答队列，datanode1每收到一个package后就向客户端发回消息（datanode1不用等待datandoe2发回应答信息才给客户端发送信息，客户端只保证datanode1收到了数据就行，后面的事它交给了datanode1）

11）当一个block传输完成之后，客户端再次请求namenode上传第二个block

NameNode如何选择DataNode

客户端在上传数据时，请求namenode告诉其应该往哪几个datanode上传副本。namenode需要综合考虑datanode的可靠性，写入带宽，读出带宽等因素。默认情况下，在运行客户端的那个节点上存放第1个副本，如果客户端运行在集群之外，则随机选择一个节点存放第1块，但namenode会尽量选择那些情况好的datanode（存储不太满，当时不太忙，带宽比较高）。第2个副本存放在与第1个副本所在机架不同的另一个机架上的datanode中（随机选择另一机架上的另一情况较好的datanode），第3个副本存在与第2个副本相同机架但不同datanode的另一个datanode上。

所有有关块复制的决策统一由 NameNode 负责，NameNode 会周期性地接受集群中数据节点 DataNode 的心跳和块报告。一个心跳的到达表示这个数据节点是正常的。一个块报告包括该数据节点上所有块的列表。

客户端下载文件

步骤详解：

1）跟namenode通信，请求下载某个数据。

2）namenode查询元数据信息以及block位置信息。

3）将数据所在的datanode信息返回给客户端。

4）客户端根据数据所在的datanode，挑选一台距离自己最近的datanode，并向其发出下载文件的请求（若所需数据不在一台datanode上保存，则分别向多台datanode发出请求）。

5）datanode响应客户端请求，将数据返回给客户端。

6）从多个datanode获得的数据不断在客户端追加，形成完整的数据

NameNode与Secondary NameNode

因为namenode上保存着整个hdfs集群上的所有元数据信息，如果namenode宕机，集群将失去所有数据，因此对namenode实现容错十分重要，Hadoop为此提供了两种机制。

第一种是在配置文件里配置namenode的工作目录为多个，这样可以将元数据信息存到多块磁盘上，或是多台机器上，甚至可以将元数据存在远程挂载的网络文件系统中（NFS），可以通过配置使namenode在多个文件系统上实时保存元数据。这样一来，namenode的工作目录所在的磁盘损坏后，还有其他磁盘上的数据可用。

第二种是运行一个辅助namenode，被称为secondary namenode（第二名称节点）。secondary namenode的职责并不是作为namenode的热备份机，其主要作用是定期从namenode拉取fsimage和editlog，并将两者合并成新的fsimage，将新的fsimage返回给namenade。这种方式，一方面可以避免namenode上的编辑日志过大，另一方面将合并操作放在secondary namenode上可以节省namenode的cpu时间和内存，减轻namenode的工作压力，让namenode更专注于自己的本职工作。secondary namenode中保存的fsimage数据总是会滞后于namenode内存中的元数据，所以在namenode宕机后，难免会有部分的数据丢失。（可以把NFS上的namenode元数据复制到secondary namenode上，使其成为新的namenode，并不损失任何数据）

Secondary NameNode的工作

secondary namenode将namenode上积累的所有editlog下载到本地，并加载到内存进行merge，这个过程称为checkpoint。

步骤详解：

1）secondary namenode通知namenode要进行checkpoint了。（定时，或是namenode上的editlog数量达到一定规模）。

2）namenode做准备。

3）secondary namenode将namenode的editlogs下载到本地磁盘上。

4）secondary namenode将editlogs和fsimage加载到内存中，进行合并产生新的fsimage。

5）secondary namenode将新的fsimage传回给namenode（覆盖namenode上旧的fsimage文件），并将其保存到本地磁盘上覆盖掉旧的fsimage。

注意点：

• a表示，hdfs上数据的更新修改等操作都会先写入编辑日志文件，再更新到内存里。
• secondary namenode节点只有在启动后，第一次进行checkpoint时才会将namenode的editlog和fsimage都下载到自己的本地磁盘，再进行合并。后期的checkpoint都只会下载editlog文件，而不会下载fsimage，因为自己磁盘上保存的fsimage和namenode上的是一样的。

NameNode高可用（High Availability，HA）

即使将namenode内存中的元数据备份在多个文件系统中，并通过secondary namenode的checkpoint功能防止namenode的数据丢失，但依然无法实现namenode的高可用。namenode一旦失效，整个系统将无法提供服务，管理员通过冷启动的方式让新的namenode上线需要一段等待的时间（几十分钟，甚至更长）。新的namenode在响应服务前必须经历以下以下步骤：将元数据导入内存；重做编辑日志文件；接收到足够多的来自datanode的数据块报告并退出安全模式(数据块的位置信息不保存在元数据中，需要namenode启动时在datanode向其汇报的块信息中获取)。

针对以上问题，hadoop的2.x版本提出了namenode的HA解决方案。

1）主控服务器由一主（Active NameNode，ANN）一从（Standby NameNode，SNN）两台服务器构成。

2）ANN响应客户端请求，SNN作为ANN的热备份机，同步ANN保存的元数据，在ANN失效时转换成新的ANN，快速提供服务。

3）ANN和SNN之间通过高可用的共享存储系统保持数据一致（ANN将数据写入共享存储系统，SNN一直监听共享系统，一旦数据发生改变就将其加载到自己内存中）

4）datanode同时向ANN和SNN汇报心跳和block信息。

5）故障转移控制器（Failover Contraller，FC），监控ANN和SNN的状态，并不断向ZK集群汇报心跳信息。

6）ZK集群"选举领导者"，一旦发现ANN失效，就重新选举SNN作为新的领导者，FC通知其转变为新的ANN。Hadoop刚启动时，两台NameNode都是SNN，zk集群通过选举产生领导者作为ANN。

7）snn负责做checkpoint。

NameNode联盟（联邦HDFS）

1）namenode的内存数据包括两块内容，命名空间和数据块池（在namenode联盟中这两块数据相加被称为命名空间卷）。

2）命名空间中保存的内容包括文件或目录的拥有者，修改日期，以及文件被切分为哪几个块等信息，但不包括块到底是存储在哪些datanode中的信息（block位置信息）。

3）数据块池中保存着block位置信息（namenode刚启动时并没有block位置信息，是由datanode向其发送的block块信息中获取的）

4）datanode很好地支持水平扩展，但单一namenode受内存空间限制，使得HDFS中所能容纳的最大文件数量受到限制（一个大文件和一个小文件的元数据所占内存空间大小是基本相同，所以不适合存小文件，会很快占满namenode的内存）。

5）单一namanode使得所有来自客户端的请求都由一台服务器响应，很容易达到其性能上线，无法实现性能上的水平扩展。

6）单一namenode无法隔离来自不同客户的请求（比如本地实验时，对namenode的负载影响会导致正常用户的访问请求受到延迟等）

由于单一namenode存在以上4，5，6所述的问题，hadoop2.0给出了namenode联盟的解决方案,实现对namenode的水平扩展。

1）将一个大的命名空间切割成若干子命名空间，每个namenode管理命名空间中的一部分（如一个namenode管理/user下的所有文件，另一个管理/test下的所有文件）。

2）每个namenode单独管理自己的命名空间和数据块池（也可将所有数据块池抽离出来，由另外的服务器集群来担任此功能），两两之间不进行通信，一个namenode宕机不会影响其他namenode工作。

3）所有datanode被所有namenode共享，还是担任存储数据的功能。每个数据块的信息保存在唯一的某个数据块池中。

4）所有datanode都要注册每一个namenode，为每个namenode提供存储数据的服务。

5）每个datanode向所有的namenode发送心跳和block信息，每个namenode再根据自己的子命名空间维护自己的数据块池。

namenode的安全模式

namenode刚启动时将fsimage加载到内存里，而fsimage里没有块的位置信息，所以此时namenode的内存中没有block的位置信息。namenode会等待所有datanode向它汇报自己的块的位置信息，只有当namenode的内存中获取到了足够多（可配置）的块的位置信息，它才会退出安全模式，正常提供服务。