HDFS详解

认识HDFS

HDFS的特点：

HDFS不适用的场景

HDFS的组成

HDFS的数据复制

HDFS复制的选择

HDFS的安全模式

HDFS的元数据持久化

HDFS架构

数据块

为什么HDFS默认的Block为128MB(64MB)?

分布式文件系统中的块进行抽象带来的好处:

NameNode

NameNode主要功能如下:

DataNode

SecondaryNameNode

SecondaryNameNode合并Fsimage和EditsLog文件过程如下:

CheckPoint过程如下:

SecondaryNameNode会周期性地将EditsLog文件进行合并,合并前提条件如下:

机架感知

HDFS的RPC机制

RPC的实现流程

RPC的实体模型

HDFS的文件读取

文件读取的流程如下：

HDFS的文件写入

写入文件的过程比读取复杂,步骤如下:

HDFS的HA(High Availability,高可用性)机制

HA架构解释如下:

HDFS的federation机制

HDFS Federation使用了多个独立的NameNode/NameSpace使得HDFS的命名服务能够水平扩展

HDFS Federation中的NameNode之间是联盟关系,它们之间相互独立且不需要相互协调。HDFS Federation中的NameNode提供了名字空间和块关联功能.HDFS Federation中的DataNode被所有的NameNode用作公共存储块的地方.每一个DataNode都会向所在集群中所有的NameNode注册，并周期性的发送心跳和块信息报告,同时处理来自NameNode的指令

在HDFS中，所有的更新、回滚都是以NameNode和BlockPool为单元发生的.即同HDFS Federation中不同的NameNode/BlockPool之间没有什么关系

多个名字空间的管理问题

HDFS Federation中名字空间管理的基本原理:

维护HDFS

追加数据

并行复制

升级与回滚

两种升级升级都简单分为以下几步：

添加节点

删除节点

HDFS权限管理

Hadoop支持的文件系统由很多（见下图），HDFS只是其中一种实现。Java抽象类 org.apache.hadoop.fs.FileSystem 定义了Hadoop中一个文件系统的客户端接口，并且该抽象类有几个具体实现。Hadoop一般使用URI（下图）方案来选取合适的文件系统实例进行交互。

特别的，HDFS文件系统的 *** 作可以使用 FsSystem shell 、客户端（http rest api、Java api、C api等）。

FsSystem shell 的用法基本同本地shell类似，命令可参考 FsSystem shell

Hadoop是用Java写的，通过Java Api（ FileSystem 类）可以调用大部分Hadoop文件系统的交互 *** 作。更详细的介绍可参考 hadoop Filesystem 。

非Java开发的应用可以使用由WebHDFS协议提供的HTTP REST API，但是HTTP比原生的Java客户端要慢，所以不到万不得已尽量不要使用HTTP传输特大数据。通过HTTP来访问HDFS有两种方法：

两种如图

在第一种情况中，namenode和datanode内嵌的web服务作为WebHDFS的端节点运行（是否启用WebHDFS可通过dfs.webhdfs.enabled设置，默认为true）。文件元数据在namenode上，文件读写 *** 作首先被发往namenode，有namenode发送一个HTTP重定向至某个客户端，指示以流的方式传输文件数据的目的或源datanode。

第二种方法依靠一个或多个独立代理服务器通过HTTP访问HDFS。所有集群的网络通信都需要通过代理，因此客户端从来不直接访问namenode或datanode。使用代理后可以使用更严格的防火墙策略和带宽策略。

HttpFs代理提供和WebHDFS相同的HTTP接口，这样客户端能够通过webhdfs URI访问接口。HttpFS代理启动独立于namenode和datanode的守护进程，使用httpfs.sh 脚本，默认在一个不同的端口上监听（14000）。

下图描述了

读文件时客户端与 HDFS 中的 namenode， datanode 之间的数据流动。

对上图的解释如下：

在读取过程中， 如果 FSDataInputStream 在和一个 datanode 进行交流时出现了一个错误，他就去试一试下一个最接近的块，他当然也会记住刚才发生错误的 datanode 以至于之后不会再在这个 datanode 上进行没必要的尝试。 DFSInputStream 也会在 datanode 上传输出的数据上核查检查数(checknums).如果损坏的块被发现了， DFSInputStream 就试图从另一个拥有备份的 datanode 中去读取备份块中的数据。

在这个设计中一个重要的方面就是客户端直接从 datanode 上检索数据，并通过 namenode 指导来得到每一个块的最佳 datanode。这种设计允许 HDFS 扩展大量的并发客户端，因为数据传输只是集群上的所有 datanode 展开的。期间，namenode 仅仅只需要服务于获取块位置的请求（块位置信息是存放在内存中，所以效率很高）。如果不这样设计，随着客户端数据量的增长，数据服务就会很快成为一个瓶颈。

我们知道，相对于客户端(之后就是 mapreduce task 了)，块的位置有以下可能性：

我们认为他们对于客户端的带宽递减，距离递增（括号中表示距离）。示意图如下：

如果集群中的机器都在同一个机架上，我们无需其他配置，若集群比较复杂，由于hadoop无法自动发现网络拓扑，所以需要额外配置网络拓扑。

基本读取程序，将文件内容输出到console

FileSystemCat

随机读取

展开原码

下图描述了写文件时客户端与 HDFS 中的 namenode， datanode 之间的数据流动。

对上图的解释如下：

如果在任何一个 datanode 在写入数据的时候失败了，接下来所做的一切对客户端都是透明的：首先， pipeline 被关闭，在确认队列中的剩下的包会被添加进数据队列的起始位置上，以至于在失败的节点下游的任 何节点都不会丢失任何的包。然后与 namenode 联系后，当前在一个好的 datanode 会联系 namenode， 给失败节点上还未写完的块生成一个新的标识ID， 以至于如果这个失败的 datanode 不久后恢复了，这个不完整的块将会被删除。失败节点会从 pipeline 中移除，然后剩下两个好的 datanode 会组成一个的新的 pipeline ，剩下的 这些块的包(也就是刚才放在数据队列队首的包)会继续写进 pipeline 中好的 datanode 中。最后，namenode 注意到块备份数小于规定的备份数，他就安排在另一个节点上创建完成备份，直接从已有的块中复制就可以。然后一直到满足了备份数( dfs.replication )。如果有多个节点的写入失败了，如果满足了最小备份数的设置( dfs.namenode.repliction.min ),写入也将会成功，然后剩下的备份会被集群异步的执行备份，直到满足了备份数( dfs.replication )。

创建目录

文件压缩有两大好处：

Hadoop 对于压缩格式的是自动识别。如果我们压缩的文件有相应压缩格式的扩展名（比如 lzo，gz，bzip2 等）。Hadoop 会根据压缩格式的扩展名自动选择相对应的解码器来解压数据，此过程完全是 Hadoop 自动处理，我们只需要确保输入的压缩文件有扩展名。

Hadoop中有多种压缩格式、算法和工具，下图列出了常用的压缩方法。

表中的“是否可切分”表示对应的压缩算法是否支持切分，也就是说是否可以搜索数据流的任意位置并进一步往下读取数据，可切分的压缩格式尤其适合MapReduce。

所有的压缩算法都需要权衡空间/时间：压缩和解压缩速度更快，其代价通常是只能节省少量的空间。不同的压缩工具有不同的特性：

更详细的比较如下

1.压缩性能比较

2.优缺点

另外使用hadoop原生（native）类库比其他java实现有更快的压缩和解压缩速度。特征比较如下：

使用容器文件格式结合压缩算法也能更好的提高效率。顺序文件、Arvo文件、ORCFiles、Parqurt文件同时支持压缩和切分。

压缩举例（Java）

压缩

解压缩

六、文件序列化

序列化是指将结构化数据转换为字节流以便在网络上传输或写到磁盘进行永久存储。反序列化狮子将字节流转换回结构化对象的逆过程。

序列化用于分布式数据处理的两大领域：进程间通信和永久存储。

对序列化的要求时是格式紧凑（高效使用存储空间）、快速（读写效率高）、可扩展（可以透明地读取老格式数据）且可以互 *** 作（可以使用不同的语言读写数据）。

Hadoop使用的是自己的序列化格式 Writable ，它绝对紧凑、速度快，但不太容易用java以外的语言进行扩展或使用。

当然，用户也可以使用其他序列化框架或者自定义序列化方式，如 Avro 框架。

Hadoop内部还使用了 Apache Thrift 和 Protocal Buffers 来实现RPC和数据交换。

HDFS的文件读取原理，主要包括以下几个步骤：

1、首先调用FileSystem对象的open方法，其实获取的是一个DistributedFileSystem的实例。

2、DistributedFileSystem通过RPC(远程过程调用)获得文件的第一批block的locations，同一block按照重复数会返回多个locations，这些locations按照hadoop拓扑结构排序，距离客户端近的排在前面。

3、前两步会返回一个FSDataInputStream对象，该对象会被封装成 DFSInputStream对象，DFSInputStream可以方便的管理datanode和namenode数据流。客户端调用read方法，DFSInputStream就会找出离客户端最近的datanode并连接datanode。

4、数据从datanode源源不断的流向客户端。

5、如果第一个block块的数据读完了，就会关闭指向第一个block块的datanode连接，接着读取下一个block块。这些 *** 作对客户端来说是透明的，从客户端的角度来看只是读一个持续不断的流。

6、如果第一批block都读完了，DFSInputStream就会去namenode拿下一批blocks的location，然后继续读，如果所有的block块都读完，这时就会关闭掉所有的流。

HDFS的文件写入原理，主要包括以下几个步骤：

1、客户端通过调用 DistributedFileSystem 的create方法，创建一个新的文件。

2、DistributedFileSystem 通过 RPC（远程过程调用）调用 NameNode，去创建一个没有blocks关联的新文件。创建前，NameNode 会做各种校验，比如文件是否存在，客户端有无权限去创建等。如果校验通过，NameNode 就会记录下新文件，否则就会抛出IO异常。

3、前两步结束后会返回 FSDataOutputStream 的对象，和读文件的时候相似，FSDataOutputStream 被封装成 DFSOutputStream，DFSOutputStream 可以协调 NameNode和 DataNode。客户端开始写数据到DFSOutputStream,DFSOutputStream会把数据切成一个个小packet，然后排成队列 data queue。

4、DataStreamer 会去处理接受 data queue，它先问询 NameNode 这个新的 block 最适合存储的在哪几个DataNode里，比如重复数是3，那么就找到3个最适合的 DataNode，把它们排成一个 pipeline。DataStreamer 把 packet 按队列输出到管道的第一个 DataNode 中，第一个 DataNode又把 packet 输出到第二个 DataNode 中，以此类推。

5、DFSOutputStream 还有一个队列叫 ack queue，也是由 packet 组成，等待DataNode的收到响应，当pipeline中的所有DataNode都表示已经收到的时候，这时akc queue才会把对应的packet包移除掉。

6、客户端完成写数据后，调用close方法关闭写入流。

7、DataStreamer 把剩余的包都刷到 pipeline 里，然后等待 ack 信息，收到最后一个 ack 后，通知 DataNode 把文件标示为已完成。

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