HDFS—Hadoop底层分布式文件存储系统

Posted 2022-06-09 newbiesdy

声明：本文档所有内容均在本人的学习和理解上整理，仅供参考，欢迎讨论。不具有权威性，甚至不具有精确性，也会在以后的学习中对不合理之处进行修改。

 

在上一篇“浅谈Hadoop inFusionInsight—华为大数据解决方案的理解”中，我重点提到了大数据的两个相较于传统数据所不同的特点——数量大和种类多。在Hadoop的底层有个非常重要的部分，我们一般称之为“核心”——分布式文件存储系统，即HDFS。我之前说过，单个服务器的内存和磁盘空间是有上限的，不可能无限支持线性增加。面对海量的大数据，单个服务器是存不下的，这辈子都不可能存的下的。面对传统存储的技术瓶颈，“分布式”的概念就很好的解决了问题。

 

一、什么是HDFS

　　HDFS的中文名叫“分布式文件系统”，是山寨来源于Google的文件系统GFS。2003年Google发表了几篇撼动世界级别的论文，GFS就是其中之一。最早作为Google的文件存储系统，它可以稳定的运行在几千台甚至上万台设备上，足以证明其优越之处。GFS的设计理念有两个很重要的假设：只存储大文件、不能修改（update）只能追加（append）。在这两个假设的基础上，又提出了一个划时代的理念：将大文件分成若干个小文件。后来有一天资聪颖的哥们看了古哥的这篇论文，一拍脑门（也可能是一跺脚）：“艾玛有搞头！”于是就山寨抄袭借鉴copy开发出了HDFS。HDFS主要解决了Hadoop的大数据存储问题，所以我们一般都称之为“分布式文件存储系统”。作为大数据的存储系统，他有几个显著的特性：

　　①高容错性

　　②高吞吐量

　　③支持大文件（TB、PB）的存储

 

二、HDFS的重要角色和概念

　　1、NameNode（NN节点）

　　HDFS的管理者。负责监控DataNode，记录文件的存储信息，协调客户端的读写请求，等。相当于目录。

　　2、DataNode（DN节点）

　　HDFS的执行者。负责文件的存储，以块为存储单位，数据分散在不同DN节点，支持一次写入多次读取，等。相当于正文。

　　3、SecondaryNameNode

　　NameNode的冷备份,同步NameNode的日志(EditLog)和镜像文件(FsImage),并将日志和镜像合并成新的镜像文件回传给NameNode

　　4、Editlog

　　日志文件,记录每次元数据的变化

　　5、FsImage

　　镜像文件,内存中元数据在本地磁盘的映射

　　PS:NameNode的内存中是FsImage+EditLog

　　6、热备份

　　NameNode停止工作后,热备份NameNode马上接替NameNode的工作

　　7、冷备份

　　同SecondaryNmaeNode

　　

三、HDFS的读写流程

　　这个我们可以类比图书馆，写就是新书入馆，读就是客户借书。大家应该听过一个问题：把大象装进冰箱分几步？我们就以3大步来看这个问题。

　　先看看写流程。有一批新书要入馆，我们要走哪些流程？

　　　　1、员工先找到馆长，告诉他你要的货……你要的书我带来了：打开了冰箱门。

　　　　2、馆长看到书来了先是喜上眉梢，紧接着眉头一皱，发现事情并不简单：大象怎么塞进冰箱？

　　　　3、馆长终于想起来“目录”这么个玩意，费了老半天劲指挥员工把书存好，然后把目录放好：关上冰箱门。

　　根据图书馆的例子，运用到HDFS上：

　　Round1 写流程

 

 

　　　　A：打开冰箱门

　　　　　　1、用户在客户端（Client）发起写命令，存入一个文件

　　　　　　　　①用户需先将文件分块，一般块大小为128MB

　　　　　　　　②还需要制定文件的副本参数,一般为3

　　　　　　2、客户端向NN节点发起写请求

　　　　　　　　①请求信息中包含但不限于文件大小(块)、副本参数

　　　　　　3、NN节点收到请求，给Client发送一个回复信息

　　　　　　　　①NN从自己管理的(DN)节点信息中找出适合的3个(与副本参数一致)DN节点

　　　　　　　　②将选中的DN节点地址和路径参数的等信息发送给Client

　　　　B：把大象塞进去

　　　　　　1、Client收到回复信息，开始发送第一个数据块(Block)

　　　　　　　　①Client通过NN的回复信息找到第一个DN节点，开始发送数据块，以及备份副本DN地址列表

　　　　　　　　②第一个DN开始按数据包分批接受Block存盘，每存盘一个数据包同时将相同的数据包再转发给的二个DN节点，以此类推直到最后一个DN节点存盘后不在转发

　　　　　　　　③所有DN都接受到了完整的Block后，向NN节点发送确认信息，第一个DN节点还要向Client发送确认信息

　　　　　　2、Client收到第一个Block存盘完毕的信息后开始执行第二个Block的操作，重新向NN节点发送请求

　　　　C：关闭冰箱门

　　　　　　1、Client收到DN节点最后一个Block存盘成功的确认信息后，向NN节点发送结束信息

　　　　　　2、NN节点收到Client发来的结束信息，关闭目录文件，此时存储文件的元数据信息已经记录在了目录文件中

　　　　小结：在写流程中，Client负责发起命令，将文件分块和设置副本参数；NN节点负责协调Client和DN节点的交互，包括为每个文件的多个数据块分配存储地址及记录元数据；DN负责干活，存储从Client发来的数据，同时多副本机制保障了数据的高可靠性。

 

　　Round2 读流程

　　

　　读流程相较于写流程基本一致，且实现更加简单，我就简单描述一下：

　　　　1、Client向NN节点发出读请求，包含文件名等信息

　　　　2、NN收到请求，根据文件名查找该文件所对应的所有块信息

　　　　3、NN根据块信息找到相对应的DN节点，将所有DN节点的位置及路径开销回复给Client

　　　　4、Client根据收到的DN节点信息，选取每个块所在路径开销最小的DN节点执行读取操作。

 

四、HDFS的高可靠性

　　1、NN的高可靠性

　　　　NN节点作为HDFS的管理者，里面存储了所有文件数据的元数据和节点的状态信息。一旦NN节点宕机那么所有文件的元数据将会丢失，海量的文件数据被存放在不同的DN节点上，元数据的丢失意味着丢失了查找数据的能力。为防止由于NN节点的宕机而导致的元数据丢失，我们采用NN节点的冗余备份机制。NN节点的备份分为冷备份和热备份，在第二部分也将这两个备份的概念简单说了一下，现在详细介绍一下。

　　　　

　　　　上一篇随笔简单讲到Hadoop分为三个层次，中间层负责资源协调。ZooKeeper就是协调机制，在HDFS中主要就是协调选举主备NameNode节点。每个NN节点都会通过“心跳”与ZooKeeper保持联系，报告自己的状态信息。ZooKeeper通过这些状态信息选举出主NN节点作为整个HDFS的管理节点，其他作为备份。备份NN一般不工作，但数据会与主NN节点同步更新。当主NN节点宕机后，其与ZooKeeper的联系就会中断，ZooKeeper接受不到主NN发来的心跳信息就默认主NN节点损坏，会在备选NN节点中重新选举主NN节点。虽然备NN节点不工作，但它里面的元数据信息和DN节点状态信息跟主NN节点是同步更新的，所以一旦备NN被选为主NN节点，会立刻接替主NN节点的工作。当然，这是热备份。

　　　　冷备份，即SecondaryNameNode。它与主NN节点之间有个“元数据持久化”机制

　　　　①当有对元数据执行操作时，NN节点会生成新的对应日志文件(Editlog.new)

　　　　②NN节点内存里存放的是日志文件(Editlog)和元数据镜像文件(Fsimage)，SecondaryNN通过NN节点同步获取得到

　　　　③SecondaryNN中将二者合并成新的镜像文件Fsimage.ckpt文件

　　　　④SecondaryNN将新生成的镜像文件上传到主节点上

　　　　⑤Fsimage.ckpt在主节点上回滚成Fsimage文件，其实就是将原来的镜像文件更新NN

　　　　⑥此时在之前过程中新的日志文件(Editlog.new)已经变成Editlog，不在是新日志，与更新后的镜像文件重新同步到SecondaryNN上，重复以上操作

　　　　NN和SecondaryNN的工作目录存储结构完全相同，所以，当NN故障退出需要重新恢复时，可以从SecondaryNN的工作目录中将Fsimage拷贝到NN的工作目录，以恢复NN中的元数据。

　　2、DN的高可靠性

　　　　DN节点作为实际存储数据的执行者，其高可靠性主要就是数据的副本机制，即数据冗余存储。当数据写入HDFS时，Client有个”副本参数“设置，这就是我们对数据的备份。而且我们在备份时选择的时不同的DN节点来进行存储，一次来保证在一台DN损坏的情况下，依靠其他DN节点依然可以恢复数据。

　　　　DN节点受NN节点的监控，它们之间也有”心跳“联系的机制。DN节点定时向NN节点发送自己的状态信息，NN节点通过这些信息监控DN节点。当NN节点在一段时间内没有接受到某台DN节点的心跳信息，则认为该DN节点损坏。此时NN节点会根据自己的元数据信息确定其所存放数据的副本的DN节点，重新找一带DN节点，根据副本数据进行备份。同时修改元数据信息和DN节点状态信息。这样，通过NN节点的调控备份，始终使数据保持一定数量的副本，保证了数据的完整性。

 

五、总结

　　不总结了，睡觉了！！！