NameNode 和 SecondaryNameNode

一、NN和2NN工作机制

二、NN和2NN工作机制详解

三、Fsimage 和 Edits解析

一、NN和2NN工作机制

思考：NameNode中的元数据是存储在哪里的？
首先，我们做个假设，如果存储在 NameNode节点的磁盘中，因为经常需要进行随机访问，还有响应客户请求，必然是效率过低。因此，元数据需要存放在内存中。但如果只存在内存中，一旦断电，元数据丢失，整个集群就无法工作了。因此需要对内存中的数据在磁盘中进行备份，备份元数据的 FsImage。

这样又会带来新的问题，当在内存中的元数据更新时，如果同时更新FsImage，就会导致效率过低，但如果不更新，就会发生一致性问题，一旦 NameNode节点断电，就会产生数据丢失。因此，引入Edits文件(只进行追加操作，效率很高)。每当元数据有更新或者添加元数据时，修改内存中的元数据并追加到 Edits中。这样，一旦 NameNode节点断电，可以通过 FsImage和 Edits的合并，合成元数据。

但是，如果长时间添加数据到Edits中，会导致该文件数据过大，效率降低，而且一旦断电，恢复元数据需要的时间过长。因此，需要定期进行 FsImage和 Edits的合并，如果这个操作由 NameNode节点完成，又会效率过低。因此，引入一个新的节点SecondaryNamenode，专门用于 FsImage和 Edits的合并。NN 和 2NN工作机制，如下图所示。

第一阶段：NameNode启动
（1）第一次启动NameNode格式化后，创建Fsimage和Edits文件。如果不是第一次启动，直接加载编辑日志和镜像文件到内存。
（2）客户端对元数据进行增删改的请求。
（3）NameNode记录操作日志，更新滚动日志。
（4）NameNode在内存中对数据进行增删改。

第二阶段：Secondary NameNode工作
（1）Secondary NameNode询问 NameNode是否需要 CheckPoint。直接带回 NameNode是否检查结果。
（2）Secondary NameNode请求执行CheckPoint。
（3）NameNode滚动正在写的Edits日志。
（4）将滚动前的编辑日志和镜像文件拷贝到Secondary NameNode。
（5）Secondary NameNode加载编辑日志和镜像文件到内存，并合并。
（6）生成新的镜像文件fsimage.chkpoint。
（7）拷贝fsimage.chkpoint到NameNode。
（8）NameNode将fsimage.chkpoint重新命名成fsimage。

二、NN和2NN工作机制详解

Fsimage：NameNode内存中元数据序列化后形成的文件。
Edits：记录客户端更新元数据信息的每一步操作（可通过Edits运算出元数据）。
NameNode启动时，先滚动 Edits并生成一个空的 edits.inprogress，然后加载 Edits和 Fsimage到内存中，此时 NameNode内存就持有最新的元数据信息。Client开始对NameNode发送元数据的增删改的请求，这些请求的操作首先会被记录到edits.inprogress中（查询元数据的操作不会被记录在 Edits中，因为查询操作不会更改元数据信息），如果此时 NameNode挂掉，重启后会从Edits中读取元数据的信息。然后，NameNode会在内存中执行元数据的增删改的操作。

由于 Edits中记录的操作会越来越多，Edits文件会越来越大，导致 NameNode在启动加载 Edits时会很慢，所以需要对 Edits和Fsimage进行合并（所谓合并，就是将 Edits和 Fsimage加载到内存中，照着 Edits中的操作一步步执行，最终形成新的Fsimage）。SecondaryNameNode的作用就是帮助 NameNode进行 Edits和 Fsimage的合并工作。

SecondaryNameNode首先会询问 NameNode是否需要 CheckPoint（触发 CheckPoint需要满足两个条件中的任意一个，定时时间到和Edits中数据写满了）。直接带回 NameNode是否检查结果。SecondaryNameNode执行 CheckPoint操作，首先会让NameNode滚动 Edits并生成一个空的 edits.inprogress，滚动 Edits的目的是给 Edits打个标记，以后所有新的操作都写入edits.inprogress，其他未合并的 Edits和 Fsimage会拷贝到 SecondaryNameNode的本地，然后将拷贝的 Edits和 Fsimage加载到内存中进行合并，生成 fsimage.chkpoint，然后将 fsimage.chkpoint拷贝给 NameNode，重命名为 Fsimage后替换掉原来的Fsimage。NameNode在启动时就只需要加载之前未合并的 Edits和 Fsimage即可，因为合并过的 Edits中的元数据信息已经被记录在 Fsimage中。

三、Fsimage 和 Edits解析

NameNode被格式化之后，将在 /opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/current 目录中产生如下文件：

（1）Fsimage文件：HDFS文件系统元数据的一个永久性的检查点，其中包含 HDFS文件系统的所有目录和文件idnode的序列化信息。
（2）Edits文件：存放 HDFS文件系统的所有更新操作的路径，文件系统客户端执行的所有写操作首先会被记录到 edits文件中。
（3）seen_txid文件保存的是一个数字，就是最后一个edits_的数字，表示未更新到 Fsimage 中的 Edits 日志。
（4）每次 Namenode启动的时候都会将 fsimage文件读入内存，并从00001开始到 seen_txid中记录的数字依次执行每个 edits里面的更新操作，保证内存中的元数据信息是最新的、同步的，可以看成 Namenode启动的时候就将 fsimage和 edits文件进行了合并。

oiv 查看 Fsimage文件：（1）查看 oiv和 oev命令

[root@hadoop1 current]$ hdfs
oiv      apply the offline fsimage viewer to an fsimage
oev      apply the offline edits viewer to an edits file

（2）基本语法：

hdfs oiv -p 文件类型 -i镜像文件 -o 转换后文件输出路径

（3）案例实操：

[root@hadoop1 current]$ pwd
/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/current

[root@hadoop1 current]$ hdfs oiv -p XML -i fsimage_0000000000000000025 -o /opt/module/hadoop-2.7.2/fsimage.xml

[root@hadoop1 current]$ cat /opt/module/hadoop-2.7.2/fsimage.xml

查看 fsimage.xml 中的内容显示结果如下。

<inode>
	<id>16386</id>
	<type>DIRECTORY</type>
	<name>user</name>
	<mtime>1512722284477</mtime>
	<permission>atguigu:supergroup:rwxr-xr-x</permission>
	<nsquota>-1</nsquota>
	<dsquota>-1</dsquota>
</inode>

<inode>
	<id>16387</id>
	<type>DIRECTORY</type>
	<name>atguigu</name>
	<mtime>1512790549080</mtime>
	<permission>atguigu:supergroup:rwxr-xr-x</permission>
	<nsquota>-1</nsquota>
	<dsquota>-1</dsquota>
</inode>

<inode>
	<id>16389</id>
	<type>FILE</type>
	<name>wc.input</name>
	<replication>3</replication>
	<mtime>1512722322219</mtime>
	<atime>1512722321610</atime>
	<perferredBlockSize>134217728</perferredBlockSize>
	<permission>atguigu:supergroup:rw-r--r--</permission>
	<blocks>
		<block>
			<id>1073741825</id>
			<gnstamp>1001</genstamp>
			<numBytes>59</numBytes>
		</block>
	</blocks>
</inode >

思考：可以看出，Fsimage中没有记录块所对应 DataNode，为什么？
在集群启动后，要求 DataNode上报数据块信息，并间隔一段时间后再次上报。

四、oev查看Edits文件

【1】基本语法

hdfs oev -p 文件类型 -i编辑日志 -o 转换后文件输出路径

【2】案例实操

[root@hadoop1 current]$ hdfs oev -p XML -i edits_0000000000000000012-0000000000000000013 -o /opt/module/hadoop-2.7.2/edits.xml

[root@hadoop1 current]$ cat /opt/module/hadoop-2.7.2/edits.xml

查看 edits.xml 中的内容显示结果如下。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<EDITS>
	<EDITS_VERSION>-63</EDITS_VERSION>
	<RECORD>
		<OPCODE>OP_START_LOG_SEGMENT</OPCODE>
		<DATA>
			<TXID>129</TXID>
		</DATA>
	</RECORD>
	<RECORD>
		<OPCODE>OP_ADD</OPCODE>
		<DATA>
			<TXID>130</TXID>
			<LENGTH>0</LENGTH>
			<INODEID>16407</INODEID>
			<PATH>/hello7.txt</PATH>
			<REPLICATION>2</REPLICATION>
			<MTIME>1512943607866</MTIME>
			<ATIME>1512943607866</ATIME>
			<BLOCKSIZE>134217728</BLOCKSIZE>
			<CLIENT_NAME>DFSClient_NONMAPREDUCE_-1544295051_1</CLIENT_NAME>
			<CLIENT_MACHINE>192.168.1.5</CLIENT_MACHINE>
			<OVERWRITE>true</OVERWRITE>
			<PERMISSION_STATUS>
				<USERNAME>atguigu</USERNAME>
				<GROUPNAME>supergroup</GROUPNAME>
				<MODE>420</MODE>
			</PERMISSION_STATUS>
			<RPC_CLIENTID>908eafd4-9aec-4288-96f1-e8011d181561</RPC_CLIENTID>
			<RPC_CALLID>0</RPC_CALLID>
		</DATA>
	</RECORD>
	<RECORD>
		<OPCODE>OP_ALLOCATE_BLOCK_ID</OPCODE>
		<DATA>
			<TXID>131</TXID>
			<BLOCK_ID>1073741839</BLOCK_ID>
		</DATA>
	</RECORD>
</EDITS >

思考：NameNode如何确定下次开机启动的时候合并哪些Edits？
NameNode启动的时候合并的是上次停机前正在写入的Edits，即edits_inprogress_xxx

五、CheckPoint 时间设置

【1】通常情况下，SecondaryNameNode每隔一小时执行一次。[hdfs-default.xml]

<property>
    <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
    <value>3600</value>
</property>

【2】一分钟检查一次操作次数，当操作次数达到1百万时，SecondaryNameNode执行一次。

<property>
    <name>dfs.namenode.checkpoint.txns</name>
    <value>1000000</value>
    <description>操作动作次数</description>
</property>


<property>
    <name>dfs.namenode.checkpoint.check.period</name>
    <value>60</value>
    <description> 1分钟检查一次操作次数</description>
</property >

六、 NameNode故障处理

NameNode故障后，可以采用如下两种方法恢复数据。

方法一：将 SecondaryNameNode中数据拷贝到 NameNode存储数据的目录；
【1】kill -9 NameNode进程；
【2】删除 NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name）；

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/*

【3】拷贝 SecondaryNameNode中数据到原NameNode存储数据目录

[root@hadoop1 dfs]$ scp -r root@hadoop104:/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/namesecondary/* ./name/

【4】重新启动 NameNode

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ sbin/hadoop-daemon.sh start namenode

方法二：使用 -importCheckpoint 选项启动 NameNode守护进程，从而将 SecondaryNameNode中数据拷贝到 NameNode目录中。
【1】修改 hdfs-site.xml中的；

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
  <value>120</value>
</property>

<property>
  <name>dfs.namenode.name.dir</name>
  <value>/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name</value>
</property>

【2】kill -9 NameNode进程；
【3】删除 NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name）；

[root@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/*

【4】如果 SecondaryNameNode不和 NameNode在一个主机节点上，需要将 SecondaryNameNode存储数据的目录拷贝到NameNode存储数据的平级目录，并删除 in_use.lock文件

[root@hadoop102 dfs]$ scp -r root@hadoop104:/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/namesecondary ./

[root@hadoop102 namesecondary]$ rm -rf in_use.lock

[root@hadoop102 dfs]$ pwd
/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs

[root@hadoop102 dfs]$ ls
data  name  namesecondary

【5】导入检查点数据（等待一会ctrl+c结束掉）

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ bin/hdfs namenode -importCheckpoint

【6】启动NameNode

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ sbin/hadoop-daemon.sh start namenode

七、集群安全模式

Namenode启动时，首先将映像文件（fsimage）载入内存，并执行编辑日志（edits）中的各项操作。一旦在内存中成功建立文件系统元数据的映像，则创建一个新的fsimage文件和一个空的编辑日志。此时，namenode开始监听 datanode请求。但是此刻，namenode运行在安全模式，即 namenode的文件系统对于客户端来说是只读的。

系统中的数据块的位置并不是由namenode维护的，而是以块列表的形式存储在datanode中。在系统的正常操作期间，namenode会在内存中保留所有块位置的映射信息。在安全模式下，各个datanode会向namenode发送最新的块列表信息，namenode了解到足够多的块位置信息之后，即可高效运行文件系统。

如果满足“最小复本条件”，namenode会在30秒钟之后就退出安全模式。所谓的最小复本条件指的是在整个文件系统中99.9%的块满足最小复本级别（默认值：dfs.replication.min=1）。在启动一个刚刚格式化的HDFS集群时，因为系统中还没有任何块，所以namenode不会进入安全模式。

【1】基本语法：集群处于安全模式，不能执行重要操作（写操作）。集群启动完成后，自动退出安全模式。
（1）bin/hdfs dfsadmin -safemode get （功能描述：查看安全模式状态）
（2）bin/hdfs dfsadmin -safemode enter （功能描述：进入安全模式状态）
（3）bin/hdfs dfsadmin -safemode leave （功能描述：离开安全模式状态）
（4）bin/hdfs dfsadmin -safemode wait （功能描述：等待安全模式状态）
【2】 案例：模拟等待安全模式
（1）查看当前模式

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ hdfs dfsadmin -safemode get
Safe mode is OFF

（2）先进入安全模式

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ bin/hdfs dfsadmin -safemode enter

（3）创建并执行下面的脚本：在/opt/module/hadoop-2.7.2路径上，编辑一个脚本safemode.sh

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ touch safemode.sh
[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ vim safemode.sh

#!/bin/bash
hdfs dfsadmin -safemode wait
hdfs dfs -put /opt/module/hadoop-2.7.2/README.txt /

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ chmod 777 safemode.sh
[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ ./safemode.sh

（4）再打开一个窗口，执行

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ bin/hdfs dfsadmin -safemode leave

（5）观察上一个窗口，会发现执行了脚本中上传数据的操作。并发现 HDFS集群上已经有上传的数据了。

Safe mode is OFF

八、NameNode多目录配置

NameNode 的本地目录可以配置成多个，且每个目录存放内容相同，增加了可靠性。
【具体配置如下】
【1】在 hdfs-site.xml文件中增加如下内容

<property>
    <name>dfs.namenode.name.dir</name>
    <value>file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name1,file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name2</value>
</property>

【2】停止集群，删除 data和 logs中所有数据。

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ rm -rf data/ logs/
[root@hadoop2 hadoop-2.7.2]$ rm -rf data/ logs/
[root@hadoop3 hadoop-2.7.2]$ rm -rf data/ logs/

【3】格式化集群并启动。

[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ bin/hdfs namenode –format
[root@hadoop1 hadoop-2.7.2]$ sbin/start-dfs.sh

【4】向NameNode中上传数据，并查看结果，发现两者的内容一模一样。保证 NameNode的可靠性。

[root@hadoop1 dfs]$ ll
总用量 12
drwx------. 3 root root 4096 12月 11 08:03 data
drwxrwxr-x. 3 root root 4096 12月 11 08:03 name1
drwxrwxr-x. 3 root root 4096 12月 11 08:03 name2

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