一、 HDFS簡(jiǎn)介

1.1 HDFS的概述

HDFS是基于 流數(shù)據(jù) 訪問(wèn)模式的 分布式文件系統(tǒng) ，其設(shè)計(jì)建立在 “一次寫(xiě)入、多次讀取” 的基礎(chǔ)上，提供高吞吐量、高容錯(cuò)性的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，能很好地解決海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。

流數(shù)據(jù) 是指數(shù)千個(gè)數(shù)據(jù)源 持續(xù)生成 的數(shù)據(jù)，可以理解為隨時(shí)間延續(xù)而 無(wú)限增長(zhǎng) 的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)集合。

通俗點(diǎn)說(shuō)，如果把數(shù)據(jù)比如成一個(gè)水庫(kù)，那么流進(jìn)去的水，就是流數(shù)據(jù)（就像我們聽(tīng)的音樂(lè)，屬于音樂(lè)流；而看到的文字、圖片這些較為固定的，一次性下載的，形成不了流）。

在Hadoop生態(tài)圈中，HDFS屬于底層基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)文件。

1.2 HDFS的優(yōu)點(diǎn)

HDFS的優(yōu)點(diǎn)：

高容錯(cuò)性。提供了容錯(cuò)和恢復(fù)機(jī)制，副本丟失后，自動(dòng)恢復(fù)。

高可靠性。數(shù)據(jù)自動(dòng)保存多個(gè)副本，通過(guò)多副本提高可靠性。

適合大數(shù)據(jù)處理?？梢蕴幚沓笪募热?TB級(jí)甚至PB級(jí) 的文件。

適合批處理。移動(dòng)計(jì)算而非移動(dòng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)位置暴露給計(jì)算框架。

支持流式數(shù)據(jù)訪問(wèn)。一次性寫(xiě)入，多次讀取（一個(gè)數(shù)據(jù)集一旦生成，就會(huì)被復(fù)制分發(fā)到不同的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行讀取/訪問(wèn)）；保證數(shù)據(jù)一致性。

低成本運(yùn)行?？梢赃\(yùn)行在低成本的硬件之上。

…

HDFS 默認(rèn)保存 3 份副本。

第一個(gè)副本：放置在 上傳文件 的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)（第一個(gè)副本如果是在 集群外 提交，則隨機(jī)挑選一個(gè) CPU 比較空閑 、 磁盤(pán)不太滿 的節(jié)點(diǎn)）；

第二個(gè)副本：放置在與 第一個(gè)副本 不同 的機(jī)架的節(jié)點(diǎn)上；

第三個(gè)副本：放在與 第二個(gè)副本 相同 的機(jī)架的其他節(jié)點(diǎn)上。

1.3 HDFS的缺點(diǎn)

HDFS的缺點(diǎn)：

不適合處理 低延遲 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。比如用戶 要求時(shí)間比較短 的低延遲應(yīng)用（主要處理高數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用）。

不適合處理 大量的小 文件。會(huì)造成尋址時(shí)間超過(guò)讀取時(shí)間；會(huì)占用NameNode大量?jī)?nèi)存，因?yàn)镹ameNode把文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中（文件系統(tǒng)的容量由NameNode的大小決定），小文件太多會(huì)消耗NameNode的內(nèi)存。

不適合 并發(fā)寫(xiě)入。一個(gè)文件只能有一個(gè)寫(xiě)入者，HDFS暫不支持多個(gè)用戶對(duì)同一個(gè)文件的寫(xiě)操作。

不適合 任意修改 文件。僅支持append（附加），不支持在文件的任意位置進(jìn)行修改。

…

二、 HDFS的組成與架構(gòu)

HDFS的組成架構(gòu)圖及各部分功能如下所示：

2.1 NameNode節(jié)點(diǎn)

當(dāng)用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)文件時(shí)，為了保證能夠讀取到每一個(gè)數(shù)據(jù)塊， HDFS有一個(gè)專門(mén) 負(fù)責(zé)保存文件屬性信息的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是 NameNode 節(jié)點(diǎn)（即 名稱節(jié)點(diǎn) ）。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)職責(zé)

NameNode節(jié)點(diǎn) 是HDFS的管理者，負(fù)責(zé)保存和管理HDFS的元數(shù)據(jù)。

其職責(zé)有以下三個(gè)方面：

① 管理維護(hù)HDFS的命名空間

NameNode管理HDFS系統(tǒng)的命名空間，維護(hù)文件系統(tǒng)樹(shù)以及文件系統(tǒng)樹(shù)中所有文件的元數(shù)據(jù)。管理這些信息的的文件分別是 edits（操作日志文件） 和 fsimage（命名空間鏡像文件） 。

editlog（操作日志）：在NameNode啟動(dòng)的情況下，對(duì)HDFS進(jìn)行的各種操作進(jìn)行記錄。（HDFS客戶端執(zhí)行的所有操作都會(huì)被記錄到editlog文件中，這些文件由edits文件保存）

fsimage：包含HDFS中的元信息（比如修改時(shí)間、訪問(wèn)時(shí)間、數(shù)據(jù)塊信息等）。

② 管理DataNode上的數(shù)據(jù)塊

負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)塊上所有的元數(shù)據(jù)信息（管理DataNode上數(shù)據(jù)塊的均衡，維持副本數(shù)量）。

③ 接收客戶端的請(qǐng)求

接收客戶端文件上傳、下載、創(chuàng)建目錄等的請(qǐng)求。

2.2 DataNode節(jié)點(diǎn)

HDFS首先把大文件切分成若干個(gè)小的數(shù)據(jù)塊，再把這些數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入不同的節(jié)點(diǎn)，這個(gè) 負(fù)責(zé)保存文件數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)就是 DataNode 節(jié)點(diǎn)（即 數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn) ）。

2.2.1 節(jié)點(diǎn)職責(zé)

DataNode節(jié)點(diǎn) 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，把Block（數(shù)據(jù)塊）以Linux文件的形式保存在磁盤(pán)上，并根據(jù)Block標(biāo)識(shí)和字節(jié)范圍來(lái)讀寫(xiě)塊數(shù)據(jù)。

其職責(zé)有以下三個(gè)方面：

① 保存數(shù)據(jù)塊

一個(gè)數(shù)據(jù)塊會(huì)在多個(gè)DataNode進(jìn)行冗余備份（在某一個(gè)DataNode最多只有一個(gè)備份）。

② 負(fù)責(zé)客戶端對(duì)數(shù)據(jù)塊的IO請(qǐng)求

在客戶端執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，DataNode之間會(huì)相互通信，保證寫(xiě)操作的一致性。

③ 定期和NameNode進(jìn)行心跳通信，接受NameNode的指令

如果NameNode節(jié)點(diǎn)10分鐘沒(méi)有收到DataNode的心跳信息，就會(huì)將其上的數(shù)據(jù)塊復(fù)制到其他DataNode節(jié)點(diǎn)。

因此，NameNode節(jié)點(diǎn)上并不會(huì)永久保存DataNode節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)塊信息，而是通過(guò)與DataNode節(jié)點(diǎn)心跳聯(lián)系的方式，來(lái)更新節(jié)點(diǎn)上的映射表，以此減輕負(fù)擔(dān)。

問(wèn)題：HDFS數(shù)據(jù)塊默認(rèn)大小為128M（Hadoop2.2之前為64M），將HDFS的數(shù)據(jù)塊設(shè)置得很大的目的是什么？（傳統(tǒng)數(shù)據(jù)塊只有512個(gè)字節(jié)）

答：為了減少尋址開(kāi)銷，讓HDFS的文件傳輸時(shí)間由傳輸速率決定（如果塊設(shè)置得足夠大，從磁盤(pán) 傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間 會(huì)明顯大于 定位這個(gè)塊開(kāi)始位置 所需的時(shí)間）。

2.3 SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)

HDFS有一個(gè)定期創(chuàng)建命名空間的檢查點(diǎn)（CheckPoint）操作的節(jié)點(diǎn)，也就是SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)（即 第二名稱節(jié)點(diǎn)）。

出于可靠性考慮，SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)與NameNode節(jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在不同的機(jī)器上，且SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)與NameNode節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存要一樣大。

（如果想了解 SecondaryNameNode 的工作流程，可以參考這篇文章：淺析 SecondaryNameNode 的工作流程 ）

問(wèn)題：一般情況下，一個(gè)集群中的SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)也是只有一個(gè)的原因是什么？

答：因?yàn)槿绻嗟脑?，?huì)增加NameNode的壓力，使其忙于元數(shù)據(jù)的傳輸/接收、日志的傳輸/切換，從而導(dǎo)致性能下降；同時(shí)，NameNode節(jié)點(diǎn)也不支持做并發(fā)檢查點(diǎn)。

2.3.1 節(jié)點(diǎn)職責(zé)

SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn) 定期把NameNode的 fsimage 和 edits 下載到本地，再將它們加載到內(nèi)存并進(jìn)行合并，最后把合并后新的 fsimage 返回NameNode （這個(gè)過(guò)程稱為檢查點(diǎn)）。

經(jīng)典問(wèn)題：NameNode與SecondaryNameNode有沒(méi)有關(guān)系？

SecondaryNameNode節(jié)點(diǎn)的工作流程可以參考這篇文章：

其職責(zé)有以下兩個(gè)方面：

① 防止edits過(guò)大

定期合并 fsimage 和 edits 文件，使 edits 大小保持在限制范圍內(nèi)。這樣做減少了重新啟動(dòng)NameNode時(shí)合并 fsimage 和 edits 耗費(fèi)的時(shí)間，從而減少了NameNode啟動(dòng)的時(shí)間。

② 做冷備份

對(duì)一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)做快照性備份，在NameNode失效時(shí)能恢復(fù)部分 fsimage 。

好了，HDFS 及其組成框架介紹完成。

如果想進(jìn)一步了解 HDFS 的工作機(jī)制，可以參考這篇文章：圖文詳解 HDFS 工作機(jī)制及其原理 。
編輯：lyn