Hadoop（4）：HDFS 基本原理

1、NameNode概述

1. NameNode是HDFS的核心。
2. NameNode也称为Master。
3. NameNode 仅存储HDFS的元数据：文件系统中所有文件的目录树，并跟踪整个集群中的文件。
4. NameNode不存储实际数据或数据集。数据本身实际存储在DataNodes中。
5. NameNode知道HDFS中任何给定文件的块列表及其位置。使用此信息NameNode知道如何从块中构建文件。
6. NameNode并不持久化存储每个文件中各个块所在的DataNode的位置信息，这些信息会在系统启动时从数据节点重建。
7. NameNode对于HDFS至关重要，当NameNode关闭时，HDFS/Hadoop集群无法访问。
8. NameNode是Hadoop集群中的单点故障。
9. NameNode所在机器通常会配置有大量内存（RAM）。

2、DataNode概述

1. DataNode负责将实际数据存储在HDFS中。
2. DataNode也称为Slave。
3. NameNode和DataNode会保持不断通信。
4. DataNode 启动时，它将自己发布到 NameNode 并汇报自己负责持有的块列表。
5. 当某个DataNode关闭时，它不会影响数据或群集的可用性。NameNode将安排由其他DataNode管理的块进行副本复制。
6. DataNode 所在机器通常配置有大量的硬盘空间。因为实际数据存储在DataNode中。
7. DataNode会定期（dfs.heartbeat.interval 配置项配置，默认是 3 秒）向NameNode发送心跳，如果NameNode长时间没有接受到 DataNode 发送的心跳， NameNode 就会认为该 DataNode 失效。
8. block 汇报时间间隔取参数dfs.blockreport.intervalMsec,参数未配置的话默认为 6 小时。

3、HDFS的工作机制

NameNode负责管理整个文件系统元数据；DataNode负责管理具体文件数据块存储；Secondary NameNode协助NameNode进行元数据的备份。

HDFS 的内部工作机制对客户端保持透明，客户端请求访问 HDFS 都是通过向NameNode申请来进行。

3.1HDFS写数据流程

1. client发起文件上传请求，通过RPC与 NameNode 建立通讯，NameNode检查目标文件是否已存在，父目录是否存在，返回是否可以上传；
2. client请求第一个block该传输到哪些 DataNode 服务器上；
3. NameNode 根据配置文件中指定的备份数量及副本放置策略进行文件分配，返回可用的 DataNode 的地址，如：A，B，C；
   注：默认存储策略由 BlockPlacementPolicyDefault 类支持。也就是日常生活中提到最经典的 3 副本策略。
   1st replica 如果写请求方所在机器是其中一个datanode,则直接存放在本地,否则随机在集群中选择一个datanode。
   2nd replica 第二个副本存放于不同第一个副本的所在的机架。
   3rd replica 第三个副本存放于第二个副本所在的机架,但是属于不同的节点。
4. client请求3台DataNode中的一台A上传数据（本质上是一个RPC调用，建立 pipeline），A 收到请求会继续调用B，然后B调用C，将整个pipeline建立完成，后逐级返回client；
5. client开始往A上传第一个block（先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存），以packet为单位（默认 64K），A收到一个packet就会传给B，B传给C；A 每传一个packet会放入一个应答队列等待应答。
6. 数据被分割成一个个packet数据包在pipeline上依次传输，在pipeline反方向上，逐个发送 ack（命令正确应答），最终由pipeline中第一个DataNode节点A将pipeline ack发送给client；
7. 当一个block传输完成之后，client再次请求NameNode上传第二个block到服务器。

3.2HDFS读数据流程

详细步骤解析

1. Client向NameNode发起RPC请求，来确定请求文件block所在的位置；
2. NameNode会视情况返回文件的部分或者全部block列表，对于每个block，NameNode都会返回含有该block副本的DataNode地址；
3. 这些返回的DN地址，会按照集群拓扑结构得出DataNode与客户端的距离，然后进行排序，排序两个规则：网络拓扑结构中距离Client近的排靠前；心跳机制中超时汇报的DN状态为 STALE，这样的排靠后；
4. Client选取排序靠前的DataNode来读取block，如果客户端本身就是DataNode,那么将从本地直接获取数据；
5. 底层上本质是建立Socket Stream（FSDataInputStream），重复的调用父类 DataInputStream的read方法，直到这个块上的数据读取完毕；
6.  当读完列表的block后，若文件读取还没有结束，客户端会继续向NameNode获取下一批的 block列表；
7. 读取完一个block都会进行checksum验证，如果读取DataNode时出现错误，客户端会通知 NameNode，然后再从下一个拥有该block副本的DataNode继续读。
8. read方法是并行的读取block信息，不是一块一块的读取；NameNode只是返回Client请求包含块的DataNode地址，并不是返回请求块的数据；
9. 最终读取来所有的 block 会合并成一个完整的最终文件。