【Hadoop】HDFS的运行原理

潇洒紫焰

　　HDFS（Hadoop Distributed File System ）Hadoop分布式文件系统。是根据google发表的论文翻版的。论文为GFS（Google File System）Google 文件系统（中文，英文）。
　　HDFS有很多特点：
　　① 保存多个副本，且提供容错机制，副本丢失或宕机自动恢复。默认存3份。
　　② 运行在廉价的机器上。（商用机）
　　③ 适合大数据的处理。多大？多小？HDFS默认会将文件分割成block，64M为1个block。然后将block按键值对存储在HDFS上，并将键值对的映射存到内存中。如果小文件太多，那内存的负担会很重。

　　如上图所示，HDFS也是按照Master和Slave的结构。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode这几个角色。
　　NameNode：是Master节点，是大领导。管理数据块映射；处理客户端的读写请求；配置副本策略；管理HDFS的名称空间；
　　SecondaryNameNode：是一个小弟，分担大哥namenode的工作量；是NameNode的冷备份；合并fsimage和fsedits然后再发给namenode。
　　DataNode：Slave节点，奴隶，干活的。负责存储client发来的数据块block；执行数据块的读写操作。
　　热备份：b是a的热备份，如果a坏掉。那么b马上运行代替a的工作。
　　冷备份：b是a的冷备份，如果a坏掉。那么b不能马上代替a工作。但是b上存储a的一些信息，减少a坏掉之后的损失。
　　fsimage:元数据镜像文件（文件系统的目录树。）
　　edits：元数据的操作日志（针对文件系统做的修改操作记录）
　　namenode内存中存储的是=fsimage+edits。
　　SecondaryNameNode负责定时默认1小时，从namenode上，获取fsimage和edits来进行合并，然后再发送给namenode。减少namenode的工作量。所以讲secondarynamenode，单独放置到一台机器上，可以增大冗余，但是有可能会丢失一小时内处理的数据。
　　工作原理
　　写操作：

　　有一个文件FileA，100M大小。Client将FileA写入到HDFS上。
　　HDFS按默认配置。
　　HDFS分布在三个机架上Rack1，Rack2，Rack3。
　　a. Client将FileA按64M分块。分成两块，block1和Block2;
　　b. Client向nameNode发送写数据请求，如图蓝色虚线①——>。
　　c. NameNode节点，记录block信息。并返回可用的DataNode，如粉色虚线②———>。
　　Block1: host2,host1,host3
　　Block2: host7,host8,host4
　　原理：
　　NameNode具有RackAware机架感知功能，这个可以配置。
　　若client为DataNode节点，那存储block时，规则为：副本1，同client的节点上；副本2，不同机架节点上；副本3，同第二个副本机架的另一个节点上；其他副本随机挑选。
　　若client不为DataNode节点，那存储block时，规则为：副本1，随机选择一个节点上；副本2，不同副本1，机架上；副本3，同副本2相同的另一个节点上；其他副本随机挑选。
　　d. client向DataNode发送block1；发送过程是以流式写入。
　　流式写入过程，
　　1>将64M的block1按64k的package划分;
　　2>然后将第一个package发送给host2;
　　3>host2接收完后，将第一个package发送给host1，同时client想host2发送第二个package；
　　4>host1接收完第一个package后，发送给host3，同时接收host2发来的第二个package。
　　5>以此类推，如图红线实线所示，直到将block1发送完毕。
　　6>host2,host1,host3向NameNode，host2向Client发送通知，说“消息发送完了”。如图粉红颜色实线所示。
　　7>client收到host2发来的消息后，向namenode发送消息，说我写完了。这样就真完成了。如图***粗实线
　　8>发送完block1后，再向host7，host8，host4发送block2，如图蓝色实线所示。
　　9>发送完block2后，host7,host8,host4向NameNode，host7向Client发送通知，如图浅绿色实线所示。
　　10>client向NameNode发送消息，说我写完了，如图***粗实线。。。这样就完毕了。
　　分析，通过写过程，我们可以了解到：
　　①写1T文件，我们需要3T的存储，3T的网络流量贷款。
　　②在执行读或写的过程中，NameNode和DataNode通过HeartBeat进行保存通信，确定DataNode活着。如果发现DataNode死掉了，就将死掉的DataNode上的数据，放到其他节点去。读取时，要读其他节点去。
　　③挂掉一个节点，没关系，还有其他节点可以备份；甚至，挂掉某一个机架，也没关系；其他机架上，也有备份。
　　读操作：

　　读操作就简单一些了，如图所示，client要从datanode上，读取FileA。而FileA由block1和block2组成。
　　那么，读操作流程为：
　　a. client向namenode发送读请求。
　　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的位置是有先后顺序的，先读block1，再读block2。而且block1去host2上读取；然后block2，去host7上读取；
　　上面例子中，client位于机架外，那么如果client位于机架内某个DataNode上，例如,client是host6。那么读取的时候，遵循的规律是：
　　优选读取本机架上的数据。
　　HDFS中常用到的命令
　　1、hadoop fs
hadoop fs -ls /　　
hadoop fs -lsr
　　
hadoop fs -mkdir /user/hadoop
　　
hadoop fs -put a.txt /user/hadoop/
　　
hadoop fs -get /user/hadoop/a.txt /
　　
hadoop fs -cp src dst
　　
hadoop fs -mv src dst
　　
hadoop fs -cat /user/hadoop/a.txt
　　
hadoop fs -rm /user/hadoop/a.txt
　　
hadoop fs -rmr /user/hadoop/a.txt
　　
hadoop fs -text /user/hadoop/a.txt
　　
hadoop fs -copyFromLocal localsrc dst 与hadoop fs -put功能类似。
　　
hadoop fs -moveFromLocal localsrc dst 将本地文件上传到hdfs，同时删除本地文件。
　　2、hadoop fsadmin
hadoop dfsadmin -report　　
hadoop dfsadmin -safemode enter | leave | get | wait
　　
hadoop dfsadmin -setBalancerBandwidth 1000
　　3、hadoop fsck
　　4、start-balancer.sh
注意，看了hdfs的布局，以及作用，这里需要考虑几个问题：
　　1、既然NameNode，存储小文件不太合适，那小文件如何处理？
　　2、NameNode在内存中存储了meta等信息，那么内存的瓶颈如何解决？
　　3、Secondary是NameNode的冷备份，那么SecondaryNamenode和Namenode不应该放到一台设备上，因为Namenode宕掉之后，SecondaryNamenode一般也就死了，那讲SecondaryNameNode放到其他机器上，如何配置？