HDFS详解

一、HDFS概述

1、产生背景

  随着数据量越来越大，在一个操作系统管辖的范围内存不下了，那么就分配到更多的操作系统管理的磁盘中，但是不方便管理和维护，迫切需要一种系统来管理多台机器上的文件，这就是分布式文件管理系统。HDFS只是分布式文件管理系统中的一种。

2、概念

  HDFS（Hadoop Distributed File System），它是一个文件系统，用于存储文件，通过目录树来定位文件；其次，它是分布式的，由很多服务器联合起来实现其功能，集群中的服务器有各自的角色。
  HDFS的设计适合一次写入，多次读出的场景，且不支持文件的修改。适合用来做数据分析，并不适合用来做网盘应用。

3、优缺点

优点：
1）高容错性
  （1）数据自动保存多个副本。它通过增加副本的形式，提高容错性；
  （2）某一个副本丢失以后，它可以自动恢复。
2）适合大数据处理
  （1）数据规模：能够处理数据规模达到GB、TB甚至PB级别的数据；
  （2）文件规模：能够处理百万规模以上的文件数量，数量相当之大。
3）流式数据访问，它能保证数据的一致性。
4）可构建在廉价机器上，通过多副本机制，提高可靠性。
缺点：
1）不适合低延时数据访问，比如毫秒级的存储数据，是做不到的。
2）无法高效的对大量小文件进行存储。
  （1）存储大量小文件的话，它会占用 NameNode大量的内存来存储文件、目录和块信息。这样是不可取的，因为NameNode的内存总是有限的；
  （2）小文件存储的寻址时间会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标。
3）不支持并发写入、文件随机修改。
  （1）一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写；
  （2）仅支持数据append（追加），不支持文件的随机修改。

4、HDFS组成架构（重点）

这种架构主要由四个部分组成，分别为HDFS Client、NameNode、DataNode和Secondary NameNode。下面我们分别介绍这四个组成部分。
1）Client：就是客户端。
  （1）文件切分。文件上传HDFS的时候，Client将文件切分成一个一个的Block，然后进行存储；
  （2）与NameNode交互，获取文件的位置信息；
  （3）与DataNode交互，读取或者写入数据；
  （4）Client提供一些命令来管理HDFS，比如启动或者关闭HDFS；
  （5）Client可以通过一些命令来访问HDFS；
2）NameNode：就是Master，它是一个主管、管理者。
  （1）管理HDFS的名称空间；
  （2）管理数据块（Block）映射信息；
  （3）配置副本策略；
  （4）处理客户端读写请求。
3）DataNode：就是Slave。NameNode下达命令，DataNode执行实际的操作。
  （1）存储实际的数据块；
  （2）执行数据块的读/写操作。
4）Secondary NameNode：并非NameNode的热备。当NameNode挂掉的时候，它并不能马上替换NameNode并提供服务。
  （1）辅助NameNode，分担其工作量；
  （2）定期合并Fsimage和Edits，并推送给NameNode；
  （3）在紧急情况下，可辅助恢复NameNode。

NameNode、Secondary NameNode、DataNode工作机制详解

二、HDFS数据流

1、HDFS的写数据流程

步骤：
  1）客户端通过Distributed FileSystem模块向NameNode请求上传文件，NameNode检查目标文件是否已存在，父目录是否存在。
  2）NameNode返回是否可以上传。
  3）客户端请求第一个 block上传到哪几个datanode服务器上。
  4）NameNode返回3个datanode节点，分别为dn1、dn2、dn3。
  5）客户端通过FSDataOutputStream模块请求dn1上传数据，dn1收到请求会继续调用dn2，然后dn2调用dn3，将这个通信管道建立完成。
  6）dn1、dn2、dn3逐级应答客户端。
  7）客户端开始往dn1上传第一个block（先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存），以packet为单位，dn1收到一个packet就会传给dn2，dn2传给dn3；dn1每传一个packet会放入一个应答队列等待应答。
  8）当一个block传输完成之后，客户端再次请求NameNode上传第二个block的服务器。（重复执行3-7步）。

网络拓扑概念
  在本地网络中，两个节点被称为“彼此近邻”是什么意思？在海量数据处理中，其主要限制因素是节点之间数据的传输速率——带宽很稀缺。这里的想法是将两个节点间的带宽作为距离的衡量标准。
  节点距离：两个节点到达最近的共同祖先的距离总和。

  例如，假设有数据中心d1机架r1中的节点n1。该节点可以表示为/d1/r1/n1。利用这种标记，这里给出四种距离描述，如上图

机架感知
（1）官方ip地址
（2）低版本Hadoop副本节点选择
  第一个副本在Client所处的节点上。如果客户端在集群外，随机选一个。
  第二个副本和第一个副本位于不相同机架的随机节点上。
  第三个副本和第二个副本位于相同机架，节点随机。

（3）Hadoop2.7.2副本节点选择
  第一个副本在Client所处的节点上。如果客户端在集群外，随机选一个。
  第二个副本和第一个副本位于相同机架，随机节点。
  第三个副本位于不同机架，随机节点。

2、HDFS的读数据流程

步骤：
  1）客户端通过Distributed FileSystem向NameNode请求下载文件，NameNode通过查询元数据，找到文件块所在的DataNode地址。
  2）挑选一台DataNode（就近原则，然后随机）服务器，请求读取数据。
  3）DataNode开始传输数据给客户端（从磁盘里面读取数据输入流，以packet为单位来做校验）。
  4）客户端以packet为单位接收，先在本地缓存，然后写入目标文件。