Hadoop分布式文件系统设计要点与架构

爱若晨风

Hadoop分布式文件系统设计要点与架构
　　Hadoop简介：一个分布式系统基础架构，由Apache基金会开发。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下，开发分布式程序。充分利用集群的威力高速运算和存储。Hadoop实现了一个分布式文件系统（Hadoop Distributed File System），简称HDFS。HDFS有着高容错性的特点，并且设计用来部署在低廉的（low-cost）硬件上。而且它提供高传输率（high throughput）来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集（large data set）的应用程序。HDFS放宽了（relax）POSIX的要求（requirements）这样可以流的形式访问（streaming access）文件系统中的数据。
　　Hadoop官网：http://hadoop.apache.org/
　　Hadoop中文文档：http://hadoop.apache.org/common/docs/r0.21.0/cn/
　　一、前提和设计目标
　　1、硬件错误是常态，而非异常情况，HDFS可能是有成百上千的server组成，任何一个组件都有可能一直失效，因此错误检测和快速、自动的恢复是HDFS的核心架构目标。
　　2、跑在HDFS上的应用与一般的应用不同，它们主要是以流式读为主，做批量处理；比之关注数据访问的低延迟问题，更关键的在于数据访问的高吞吐量。
　　3、HDFS以支持大数据集合为目标，一个存储在上面的典型文件大小一般都在千兆至T字节，一个单一HDFS实例应该能支撑数以千万计的文件。
　　4、 HDFS应用对文件要求的是write-one-read-many访问模型。一个文件经过创建、写，关闭之后就不需要改变。这一假设简化了数据一致性问 题，使高吞吐量的数据访问成为可能。典型的如MapReduce框架，或者一个web crawler应用都很适合这个模型。
　　5、移动计算的代价比之移动数据的代价低。一个应用请求的计算，离它操作的数据越近就越高效，这在数据达到海量级别的时候更是如此。将计算移动到数据附近，比之将数据移动到应用所在显然更好，HDFS提供给应用这样的接口。
　　6、在异构的软硬件平台间的可移植性。
　　二、Namenode和Datanode
　　HDFS采用master/slave架构。一个HDFS集群是有一个Namenode和一定数目的Datanode组成。Namenode是一个中心服 务器，负责管理文件系统的namespace和客户端对文件的访问。Datanode在集群中一般是一个节点一个，负责管理节点上它们附带的存储。在内 部，一个文件其实分成一个或多个block，这些block存储在Datanode集合里。Namenode执行文件系统的namespace操作，例如 打开、关闭、重命名文件和目录，同时决定block到具体Datanode节点的映射。Datanode在Namenode的指挥下进行block的创 建、删除和复制。Namenode和Datanode都是设计成可以跑在普通的廉价的运行linux的机器上。HDFS采用java语言开发，因此可以部 署在很大范围的机器上。一个典型的部署场景是一台机器跑一个单独的Namenode节点，集群中的其他机器各跑一个Datanode实例。这个架构并不排 除一台机器上跑多个Datanode，不过这比较少见。
　　
　　单一节点的Namenode大大简化了系统的架构。Namenode负责保管和管理所有的HDFS元数据，因而用户数据就不需要通过Namenode（也就是说文件数据的读写是直接在Datanode上）。
　　三、文件系统的namespace
　　HDFS支持传统的层次型文件组织，与大多数其他文件系统类似，用户可以创建目录，并在其间创建、删除、移动和重命名文件。HDFS不支持user quotas和访问权限，也不支持链接（link)，不过当前的架构并不排除实现这些特性。Namenode维护文件系统的namespace，任何对文 件系统namespace和文件属性的修改都将被Namenode记录下来。应用可以设置HDFS保存的文件的副本数目，文件副本的数目称为文件的 replication因子，这个信息也是由Namenode保存。
　　四、数据复制
　　HDFS被设计成在一个大集群中可以跨机器地可靠地存储海量的文件。它将每个文件存储成block序列，除了最后一个block，所有的block都是同 样的大小。文件的所有block为了容错都会被复制。每个文件的block大小和replication因子都是可配置的。Replication因子可 以在文件创建的时候配置，以后也可以改变。HDFS中的文件是write-one，并且严格要求在任何时候只有一个writer。Namenode全权管 理block的复制，它周期性地从集群中的每个Datanode接收心跳包和一个Blockreport。心跳包的接收表示该Datanode节点正常工 作，而Blockreport包括了该Datanode上所有的block组成的列表。