Hadoop分布式文件系统HDFS架构分析

Hadoop分布式文件系统(HDFS)是一种基于Java的分布式文件系统，它具有容错性、可伸缩性和易扩展性等优点，它可在商用硬件上运行，也可以在低成本的硬件上进行部署。HDFS是一个分布式存储的Hadoop应用程序，它提供了更接近数据的接口。

HDFS架构

hdfs架构图如下图所示：

HDFS具有主/从架构。HDFS集群由单个NameNode，和多个datanode构成。

NameNode：管理文件系统命名空间的主服务器和管理客户端对文件的访问组成，如打开，关闭和重命名文件和目录。负责管理文件目录、文件和block的对应关系以及block和datanode的对应关系，维护目录树，接管用户的请求。如下图所示：

1、将文件的元数据保存在一个文件目录树中2、在磁盘上保存为：fsimage 和 edits3、保存datanode的数据信息的文件，在系统启动的时候读入内存。

DataNode：（数据节点）管理连接到它们运行的节点的存储，负责处理来自文件系统客户端的读写请求。DataNodes还执行块创建，删除

Client：(客户端)代表用户通过与nameNode和datanode交互来访问整个文件系统，HDFS对外开放文件命名空间并允许用户数据以文件形式存储。用户通过客户端（Client）与HDFS进行通讯交互。

**块和复制：**我们都知道linux操作系统中的磁盘的块的大小默认是512，而hadoop2.x版本中的块的大小默认为128M，那为什么hdfs中的存储块要设计这么大呢？其目的是为了减小寻址的开销。只要块足够大，磁盘传输数据的时间必定会明显大于这个块的寻址时间。

那为什么要以块的形式存储文件，而不是整个文件呢？1、因为一个文件可以特别大，可以大于有个磁盘的容量，所以以块的形式存储，可以用来存储无论大小怎样的文件。2、简化存储系统的设计。因为块是固定的大小，计算磁盘的存储能力就容易多了3、以块的形式存储不需要全部存在一个磁盘上，可以分布在各个文件系统的磁盘上，有利于复制和容错，数据本地化计算

块和复本在hdfs架构中分布如下图所示：

既然namenode管理着文件系统的命名空间，维护着文件系统树以及整颗树内的所有文件和目录，这些信息以文件的形式永远的保存在本地磁盘上，分别问命名空间镜像文件fsimage和编辑日志文件Edits。datanode是文件的工作节点，根据需要存储和检索数据块，并且定期的向namenode发送它们所存储的块的列表。那么就知道namenode是多么的重要，一旦那么namenode挂了，那整个分布式文件系统就不可以使用了，所以对于namenode的容错就显得尤为重要了，hadoop为此提供了两种容错机制：

就是通过对那些组成文件系统的元数据持久化，分别问命名空间镜像文件fsimage（文件系统的目录树）和编辑日志文件Edits（针对文件系统做的修改操作记录）。磁盘上的映像FsImage就是一个Checkpoint,一个里程碑式的基准点、同步点,有了一个Checkpoint之后,NameNode在相当长的时间内只是对内存中的目录映像操作,同时也对磁盘上的Edits操作,直到关机。下次开机的时候,NameNode要从磁盘上装载目录映像FSImage,那其实就是老的Checkpoint,也许就是上次开机后所保存的映像,而自从上次开机后直到关机为止对于文件系统的所有改变都记录在Edits文件中;将记录在Edits中的操作重演于上一次的映像,就得到这一次的新的映像,将其写回磁盘就是新的Checkpoint（也就是fsImage）。但是这样有很大一个缺点，如果Edits很大呢，开机后生成原始映像的过程也会很长，所以对其进行改进：每当 Edits长到一定程度,或者每隔一定的时间,就做一次Checkpoint，但是这样就会给namenode造成很大的负荷，会影响系统的性能。于是就有了SecondaryNameNode的需要,这相当于NameNode的助理,专替NameNode做Checkpoint。当然,SecondaryNameNode的负载相比之下是偏轻的。所以如果为NameNode配上了热备份,就可以让热备份兼职,而无须再有专职的SecondaryNameNode。所以架构图如下图所示：

SecondaryNameNode工作原理图：

SecondaryNameNode主要负责下载NameNode中的fsImage文件和Edits文件，并合并生成新的fsImage文件，并推送给NameNode，工作原理如下：

1、secondarynamenode请求主namenode停止使用edits文件，暂时将新的写操作记录到一个新的文件中；2、secondarynamenode从主namenode获取fsimage和edits文件（通过http get）3、secondarynamenode将fsimage文件载入内存，逐一执行edits文件中的操作，创建新的fsimage文件。4、secondarynamenode将新的fsimage文件发送回主namenode（使用http post）.5、namenode用从secondarynamenode接收的fsimage文件替换旧的fsimage文件；用步骤1所产生的edits文件替换旧的edits文件。同时，还更新fstime文件来记录检查点执行时间。6、最终，主namenode拥有最新的fsimage文件和一个更小的edits文件。当namenode处在安全模式时，管理员也可调用hadoop dfsadmin –saveNameSpace命令来创建检查点。

从上面的过程中我们清晰的看到secondarynamenode和主namenode拥有相近内存需求的原因（因为secondarynamenode也把fsimage文件载入内存）。因此，在大型集群中，secondarynamenode需要运行在一台专用机器上。

创建检查点的触发条件受两个配置参数控制。通常情况下，secondarynamenode每隔一小时（有fs.checkpoint.period属性设置）创建检查点；此外，当编辑日志的大小达到64MB（有fs.checkpoint.size属性设置）时，也会创建检查点。系统每隔五分钟检查一次编辑日志的大小。

三、HDFS读数据流程

HDFS读数据流程如下图所示：

1、客户端通过FileSystem对象（DistributedFileSystem）的open()方法来打开希望读取的文件。

2、DistributedFileSystem通过远程调用（RPC）来调用namenode，获取到每个文件的起止位置。对于每一个块，namenode返回该块副本的datanode。这些datanode会根据它们与客户端的距离（集群的网络拓扑结构）排序，如果客户端本身就是其中的一个datanode，那么就会在该datanode上读取数据。DistributedFileSystem远程调用后返回一个FSDataInputStream（支持文件定位的输入流）对象给客户端以便于读取数据，然后FSDataInputStream封装一个DFSInputStream对象。该对象管理datanode和namenode的IO。

3、客户端对这个输入流调用read()方法，存储着文件起始几个块的datanode地址的DFSInputStream随即连接距离最近的文件中第一个块所在的datanode，通过数据流反复调用read()方法，可以将数据从datanode传送到客户端。当读完这个块时，DFSInputStream关闭与该datanode的连接，然后寻址下一个位置最佳的datanode。

客户端从流中读取数据时，块是按照打开DFSInputStream与datanode新建连接的顺序读取的。它也需要询问namenode来检索下一批所需块的datanode的位置。一旦客户端完成读取，就对FSDataInputStream调用close()方法。

注意：在读取数据的时候，如果DFSInputStream在与datanode通讯时遇到错误，它便会尝试从这个块的另外一个临近datanode读取数据。他也会记住那个故障datanode，以保证以后不会反复读取该节点上后续的块。DFSInputStream也会通过校验和确认从datanode发送来的数据是否完整。如果发现一个损坏的块， DFSInputStream就会在试图从其他datanode读取一个块的复本之前通知namenode。