【Hadoop】HDFS的運行原理

簡介

HDFS（Hadoop Distributed File System ）Hadoop分布式文件系統。是根據google發表的論文翻版的。論文為GFS（Google File System）Google 文件系統（中文，英文）。

HDFS有很多特點：

    ① 保存多個副本，且提供容錯機制，副本丟失或宕機自動恢復。默認存3份。

    ② 運行在廉價的機器上。

    ③ 適合大數據的處理。多大？多小？HDFS默認會將文件分割成block，64M為1個block。然后將block按鍵值對存儲在HDFS上，并將鍵值對的映射存到內存中。如果小文件太多，那內存的負擔會很重。

如上圖所示，HDFS也是按照Master和Slave的結構。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode這幾個角色。

NameNode：是Master節點，是大領導。管理數據塊映射；處理客戶端的讀寫請求；配置副本策略；管理HDFS的名稱空間；

SecondaryNameNode：是一個小弟，分擔大哥namenode的工作量；是NameNode的冷備份；合并fsimage和fsedits然后再發給namenode。

DataNode：Slave節點，奴隸，干活的。負責存儲client發來的數據塊block；執行數據塊的讀寫操作。

熱備份：b是a的熱備份，如果a壞掉。那么b馬上運行代替a的工作。

冷備份：b是a的冷備份，如果a壞掉。那么b不能馬上代替a工作。但是b上存儲a的一些信息，減少a壞掉之后的損失。

fsimage:元數據鏡像文件（文件系統的目錄樹。）

edits：元數據的操作日志（針對文件系統做的修改操作記錄）

namenode內存中存儲的是=fsimage+edits。

SecondaryNameNode負責定時默認1小時，從namenode上，獲取fsimage和edits來進行合并，然后再發送給namenode。減少namenode的工作量。

工作原理

寫操作：

有一個文件FileA，100M大小。Client將FileA寫入到HDFS上。

HDFS按默認配置。

HDFS分布在三個機架上Rack1，Rack2，Rack3。

a. Client將FileA按64M分塊。分成兩塊，block1和Block2;

b. Client向nameNode發送寫數據請求，如圖藍色虛線①------>。

c. NameNode節點，記錄block信息。并返回可用的DataNode，如粉色虛線②--------->。

    Block1: host2,host1,host3

    Block2: host7,host8,host4

    原理：

        NameNode具有RackAware機架感知功能，這個可以配置。

        若client為DataNode節點，那存儲block時，規則為：副本1，同client的節點上；副本2，不同機架節點上；副本3，同第二個副本機架的另一個節點上；其他副本隨機挑選。

        若client不為DataNode節點，那存儲block時，規則為：副本1，隨機選擇一個節點上；副本2，不同副本1，機架上；副本3，同副本2相同的另一個節點上；其他副本隨機挑選。

d. client向DataNode發送block1；發送過程是以流式寫入。

    流式寫入過程，

        1>將64M的block1按64k的package劃分;

        2>然后將第一個package發送給host2;

        3>host2接收完后，將第一個package發送給host1，同時client想host2發送第二個package；

        4>host1接收完第一個package后，發送給host3，同時接收host2發來的第二個package。

        5>以此類推，如圖紅線實線所示，直到將block1發送完畢。

        6>host2,host1,host3向NameNode，host2向Client發送通知，說“消息發送完了”。如圖粉紅顏色實線所示。

        7>client收到host2發來的消息后，向namenode發送消息，說我寫完了。這樣就真完成了。如圖黃色粗實線

        8>發送完block1后，再向host7，host8，host4發送block2，如圖藍色實線所示。

        9>發送完block2后，host7,host8,host4向NameNode，host7向Client發送通知，如圖淺綠色實線所示。

        10>client向NameNode發送消息，說我寫完了，如圖黃色粗實線。。。這樣就完畢了。

分析，通過寫過程，我們可以了解到：

    ①寫1T文件，我們需要3T的存儲，3T的網絡流量貸款。

    ②在執行讀或寫的過程中，NameNode和DataNode通過HeartBeat進行保存通信，確定DataNode活著。如果發現DataNode死掉了，就將死掉的DataNode上的數據，放到其他節點去。讀取時，要讀其他節點去。

    ③掛掉一個節點，沒關系，還有其他節點可以備份；甚至，掛掉某一個機架，也沒關系；其他機架上，也有備份。

讀操作：

讀操作就簡單一些了，如圖所示，client要從datanode上，讀取FileA。而FileA由block1和block2組成。 

那么，讀操作流程為：

a. client向namenode發送讀請求。

b. namenode查看Metadata信息，返回fileA的block的位置。

    block1:host2,host1,host3

    block2:host7,host8,host4

c. block的位置是有先后順序的，先讀block1，再讀block2。而且block1去host2上讀取；然后block2，去host7上讀取；

上面例子中，client位于機架外，那么如果client位于機架內某個DataNode上，例如,client是host6。那么讀取的時候，遵循的規律是：

優選讀取本機架上的數據。