HDFS简介及基本概念

（一）HDFS简介及其基本概念

  HDFS（Hadoop Distributed File System）是hadoop生态系统的一个重要组成部分，是hadoop中的的存储组件，在整个Hadoop中的地位非同一般，是最基础的一部分，因为它涉及到数据存储，MapReduce等计算模型都要依赖于存储在HDFS中的数据。HDFS是一个分布式文件系统，以流式数据访问模式存储超大文件，将数据分块存储到一个商业硬件集群内的不同机器上。

  这里重点介绍其中涉及到的几个概念：（1）超大文件。目前的hadoop集群能够存储几百TB甚至PB级的数据。（2）流式数据访问。HDFS的访问模式是：一次写入，多次读取，更加关注的是读取整个数据集的整体时间。（3）商用硬件。HDFS集群的设备不需要多么昂 贵和特殊，只要是一些日常使用的普通硬件即可，正因为如此，hdfs节点故障的可能性还是很高的，所以必须要有机制来处理这种单点故障，保证数据的可靠。（4）不支持低时间延迟的数据访问。hdfs关心的是高数据吞吐量，不适合那些要求低时间延迟数据访问的应用。（5）单用户写入，不支持任意修改。hdfs的数据以读为主，只支持单个写入者，并且写操作总是以添加的形式在文末追加，不支持在任意位置进行修改。

1、HDFS数据块

  每个磁盘都有默认的数据块大小，这是文件系统进行数据读写的最小单位。这涉及到磁盘的相应知识，这里我们不多讲，后面整理一篇博客来记录一下磁盘的相应知识。

  HDFS同样也有数据块的概念，默认一个块（block）的大小为128MB（HDFS的块这么大主要是为了最小化寻址开销），要在HDFS中存储的文件可以划分为多个分块，每个分块可以成为一个独立的存储单元。与本地磁盘不同的是，HDFS中小于一个块大小的文件并不会占据整个HDFS数据块。

  对HDFS存储进行分块有很多好处：

• 一个文件的大小可以大于网络中任意一个磁盘的容量，文件的块可以利用集群中的任意一个磁盘进行存储。
• 使用抽象的块，而不是整个文件作为存储单元，可以简化存储管理，使得文件的元数据可以单独管理。
• 冗余备份。数据块非常适合用于数据备份，进而可以提供数据容错能力和提高可用性。每个块可以有多个备份（默认为三个），分别保存到相互独立的机器上去，这样就可以保证单点故障不会导致数据丢失。

2、namenode和datanode

  HDFS集群的节点分为两类：namenode和datanode，以管理节点-工作节点的模式运行，即一个namenode和多个datanode，理解这两类节点对理解HDFS工作机制非常重要。

  namenode作为管理节点，它负责整个文件系统的命名空间，并且维护着文件系统树和整棵树内所有的文件和目录，这些信息以两个文件的形式（命名空间镜像文件和编辑日志文件）永久存储在namenode 的本地磁盘上。除此之外，同时，namenode也记录每个文件中各个块所在的数据节点信息，但是不永久存储块的位置信息，因为块的信息可以在系统启动时重新构建。

  datanode作为文件系统的工作节点，根据需要存储并检索数据块，定期向namenode发送他们所存储的块的列表。

  由此可见，namenode作为管理节点，它的地位是非同寻常的，一旦namenode宕机，那么所有文件都会丢失，因为namenode是唯一存储了元数据、文件与数据块之间对应关系的节点，所有文件信息都保存在这里，namenode毁坏后无法重建文件。因此，必须高度重视namenode的容错性。

  为了使得namenode更加可靠，hadoop提供了两种机制：

• 第一种机制是备份那些组成文件系统元数据持久状态的文件，比如：将文件系统的信息写入本地磁盘的同时，也写入一个远程挂载的网络文件系统（NFS），这些写操作实时同步并且保证原子性。
• 第二种机制是运行一个辅助namenode，用以保存命名空间镜像的副本，在namenode发生故障时启用。（也可以使用热备份namenode代替辅助namenode）。
  
  
  

3、块缓存

  数据通常情况下都保存在磁盘，但是对于访问频繁的文件，其对应的数据块可能被显式的缓存到datanode的内存中，以堆外缓存的方式存在，一些计算任务（比如mapreduce）可以在缓存了数据的datanode上运行，利用块的缓存优势提高读操作的性能。

4、联邦HDFS

  namenode在内存中保存了文件系统中每个文件和每个数据块的引用关系，这意味着，当文件足够多时，namenode的内存将成为限制系统横向扩展的瓶颈。hadoop2.0引入了联邦HDFS允许系统通过添加namenode的方式实现扩展，每个namenode管理文件系统命名空间中的一部分，比如：一个namenode管理/usr下的文件，另外一个namenode管理/share目录下的文件。

5、HDFS的高可用性

  通过备份namenode存储的文件信息或者运行辅助namenode可以防止数据丢失，但是依旧没有保证了系统的高可用性。一旦namenode发生了单点失效，那么必须能够快速的启动一个拥有文件系统信息副本的新namenode，而这个过程需要以下几步：（1）将命名空间的副本映像导入内存 （2）重新编辑日志 （3）接收足够多来自datanode的数据块报告，从而重建起数据块与位置的对应关系。

  上述实际上就是一个namenode的冷启动过程，但是在数据量足够大的情况下，这个冷启动可能需要30分钟以上的时间，这是无法忍受的。

  Hadoop2.0开始，增加了对高可用性的支持。采用了双机热备份的方式。同时使用一对活动-备用namenode，当活动namenode失效后，备用namenode可以迅速接管它的任务，这中间不会有任何的中断，以至于使得用户根本无法察觉。

  为了实现这种双机热备份，HDFS架构需要作出以下几个改变：

• 两个namenode之间要通过高可用共享存储来实现编辑日志的共享
• datanode要同时向两个namenode发送数据块的报告信息
• 客户端要使用特定机制来处理namenode的失效问题
• 备用namenode要为活动namenode设置周期性的检查点，从中判断活动namenode是否失效

  HDFS系统中运行着一个故障转移控制器，管理着将活动namenode转移为备用namenode的转换过程。同时，每一个namenode也运行着一个轻量级的故障转移控制器，主要目的就是监视宿主namenode是否失效，并在失效时实现迅速切换。