大数据之HDFS核心技术详解，50万大数据架构师力推！

HDFS核心技术详解

我们都知道Hadoop 主要由HDFS和MapReduce 两个核心部分组成。其中最底部就是HDFS，它被用来存储Hadoop 集群中所有存储节点上的文件。

hadoop的核心子项目——HDFS(分布式文件系统)，下面将从HDFS的背景、基本概念 开始，步步深入了解HDFS的设计目标、HDFS的基本结构以及HDFS的相关操作等核心知

识！

(一)HDFS 的产生背景？

随着数据量越来越大，在一个操作系统管辖的范围内存不下了，那么就分配到更多的操 作系统管理的磁盘中，但是不方便管理和维护，迫切需要一种系统来管理多台机器上的文

件，这就是分布式文件管理系统。HDFS只是分布式文件管理系统中的一种。

(二)HDFS 到底是什么？

HDFS（Hadoop Distributed File System）是Hadoop的核心子项目，是一个可以运行在普通硬件设备上的分布式文件系统，是分布式计算中数据存储和管理的基础，是基于流 数据模式访问和处理超大文件的需求而开发的。它所具有的高容错、高可靠性、高可扩展性、高吞吐率等特征为海量数据提供了不怕故障的存储，给超大数据集（Large Data Set） 的应用处理带来了很多便利。

(三)HDFS 从何而来？

HDFS 源于 Google 在2003年10月份发表的GFS（Google File System） 论文。 它其实就是 GFS 的一个克隆版本。

(四)HDFS的设计目标

1、硬件故障是常态，而不是异常

2、适合流式数据访问

3、适合大规模数据集

4、简单的一致性模型

5、移动计算比移动数据更划算

6、轻便的访问异构的软硬件平台

(五)HDFS的架构和数据存储原理

HDFS是一个主/从（Mater/Slave）体系结构，从最终用户的角度来看，它就像传统的 文件系统一样，可以通过目录路径对文件执行CRUD（Create、Read、Update和Delete） 操作。但由于分布式存储的性质，HDFS集群拥有一个NameNode和一些DataNode。

NameNode管理文件系统的元数据，DataNode存储实际的数据。客户端通过同

NameNode和DataNodes的交互访问文件系统。客户端联系NameNode以获取文件的元数 据，而真正的文件I/O操作是直接和DataNode进行交互的。

HDFS的架构图
这种架构主要由四个部分组成，分别为HDFS Client、NameNode、DataNode和Secondary NameNode。下面我们分别介绍这四个组成部分。

Client：就是客户端。

1、文件切分。文件上传 HDFS 的时候，Client 将文件切分成 一个一个的Block，然后进行存储。

2、与 NameNode 交互，获取文件的位置信息。

3、与 DataNode 交互，读取或者写入数据。

4、Client 提供一些命令来管理 HDFS，比如启动或者关闭HDFS。

5、Client 可以通过一些命令来访问 HDFS。

NameNode：就是 master，它是一个主管、管理者。

1、管理 HDFS 的名称空间。

2、管理数据块（Block）映射信息

3、配置副本策略

4、处理客户端读写请求。

DataNode：就是Slave。NameNode 下达命令，DataNode 执行实际的操作。

1、存储实际的数据块。

2、执行数据块的读/写操作。

Secondary NameNode：并非 NameNode 的热备。当NameNode 挂掉的时候，它并不能马上替换 NameNode 并提供服务。

1、辅助 NameNode，分担其工作量。

2、定期合并 fsimage和fsedits，并推送给NameNode。

3、在紧急情况下，可辅助恢复 NameNode。

(六)为什么选择 HDFS 存储数据？

1、之所以选择 HDFS 存储数据，是因为 HDFS 具有以下优点：

(1) 高容错性

1) 数据自动保存多个副本。它通过增加副本的形式，提高容错性。

2) 某一个副本丢失以后，它可以自动恢复，这是由 HDFS 内部机制实现的，我们不必关

心。

(2) 适合批处理

1) 它是通过移动计算而不是移动数据。

2) 它会把数据位置暴露给计算框架。

(3) 适合大数据处理

1) 数据规模：能够处理数据规模达到 GB、TB、甚至PB级别的数据。

2) 文件规模：能够处理百万规模以上的文件数量，数量相当之大。

3) 节点规模：能够处理10K节点的规模。

(4) 流式数据访问

1) 一次写入，多次读取，不能修改，只能追加。

2) 它能保证数据的一致性。

(5) 可构建在廉价机器上

1) 它通过多副本机制，提高可靠性。

2) 它提供了容错和恢复机制。比如某一个副本丢失，可以通过其它副本来恢复。

2、当然 HDFS 也有它的劣势，并不适合所有的场合：

(1) 不适合低延时数据访问

1) 比如毫秒级的来存储数据，这是不行的，它做不到。

2) 它适合高吞吐率的场景，就是在某一时间内写入大量的数据。但是它在低延时的情况 下是不行的，比如毫秒级以内读取数据，这样它是很难做到的。

改进策略

(2) 无法高效的对大量小文件进行存储

1) 存储大量小文件的话，它会占用 NameNode大量的内存来存储文件、目录和块信息。这样是不可取的，因为NameNode的内存总是有限的。

2) 小文件存储的寻道时间会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标。 改进策略

(3) 并发写入、文件随机修改

1) 一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写。

2) 仅支持数据 append（追加），不支持文件的随机修改。

(七)HDFS 如何读取文件？

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。这些操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。
(八)HDFS 如何写入文件？

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。
(九)HDFS 副本存放策略

namenode 如何选择在哪个 datanode 存储副本（replication）？这里需要对可靠

性、写入带宽和读取带宽进行权衡。 Hadoop 对 datanode 存储副本有自己的副本策略，在其发展过程中一共有两个版本的副本策略，分别如下所示。

Hadoop 0.17之前的副本策略

第一个副本：存储在同机架的不同节点上。

第二个副本：存储在同机架的另外一个节点上。第三个副本：存储在不同机架的另外一个节点。其它副本：选择随机存储。

Hadoop 0.17 之后的副本策略

第一个副本：存储在同 Client 相同节点上。第二个副本：存储在不同机架的节点上。

第三个副本：存储在第二个副本机架中的另外一个节点上。其它副本：选择随机存储。
(十)HDFS的新特性HA

(一)HDFS的HA机制

Hadoop 2.2.0 版本之前，NameNode是HDFS集群的单点故障点，每一个集群只有一个NameNode ，如果这个机器或者进程不可用，整个集群就无法使用，直到重启

NameNode或者新重启一个NameNode节点 。影响HDFS集群不可用主要包括以下两种情况。

(1) 类似机器跌宕这样的意外情况将导致集群不可用，只有重启NameNode之后才可使用。

(2) 计划内的软件或硬件升级（NameNode节点）将导致集群在短时间范围内不可用。

HDFS的高可用性（HA ,High Availability）就可以解决上述问题，通过提供选择运行在同一集群中的一个热备用的 "主/备"两个冗余NameNode，允许在机器宕机或系统维护的时候， 快速转移到另一个NameNode。

(二)典型的HA集群

一个典型的HA集群，两个单独的机器配置为NameNodes，在任何时候，一个NameNode 处于活动状态，另一个处于待机状态，活动的NameNode负责处理集群中所有客户端的操 作，待机时仅仅作为一个slave，保持足够的状态，如果有必要提供一个快速的故障转移。

为了保持备用节点与活动节点状态的同步，目前的实现需要两个节点同时访问一个共享存储 设备（例如从NASNFS挂载）到一个目录。将有可能在未来的版本中放宽此限制。

当活动节点对命名空间进行任何修改，它将把修改记录写到共享目录下的一个日志文件，备 用节点会监听这个目录，当发现更改时，它会把修改内容同步到自己的命名空间。备用节点 在故障转移时，它将保证已经读取了所有共享目录内的更改记录，保证在发生故障前的状态 与活动节点保持完全一致。

为了提供快速的故障转移，必须保证备用节点有最新的集群中块的位置信息，为了达到这一 点，Datanode节点需要配置两个nameNode的位置，同时发送块的位置信息和心跳信息到 两个nameNode。

任何时候只有一个namenode处于活动状态，对于HA集群的操作是至关重要的，否则两个节 点之间的状态就会产生冲突，数据丢失或其它不正确的结果，为了达到这个目的或者所谓

的“裂脑场景”出现，管理员必须为共享存储配置至少一个（fencing）方法。在宕机期间， 如果不能确定之间的活动节点已经放弃活动状态，fencing进程负责中断以前的活动节点编辑 存储的共享访问。这可以防止任何进一步的修改命名空间，允许新的活动节点安全地进行故 障转移。

(三)HA架构

HA架构解释如下：

1、只有一个NameNode是Active的，并且只有这个ActiveNameNode能提供服务，改变

NameNode。以后可以考虑让StandbyNameNode提供读服务。

2、提供手动Failover，在升级过程中，Failover在NameNode-DataNode之间写不变的情 况下才能生效。

3、在之前的NameNode重新恢复之后，不能提供failback。

4、数据一致性比Failover更重要。

5、尽量少用特殊的硬件。

6、HA的设置和Failover都应该保证在两者操作错误或者配置错误的时候，不得导致数据损 坏。

7、NameNode的短期垃圾回收不应该触发Failover。

8、DataNode会同时向NameNodeActive和NameNodeStandby汇报块的信息。

NameNodeActive和NameNodeStandby通过NFS备份MetaData信息到一个磁盘上面。

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(四)为什么会有HA机制

1、单点故障

在Hadoop 2.0之前，也有若干技术试图解决单点故障的问题，我们在这里做个简短的

总结

A、Secondary NameNode。它不是HA，它只是阶段性的合并edits和fsimage，以缩短集群启动的时间。当NameNode(以下简称NN)失效的时候，Secondary NN并无法立刻提供服务，Secondary NN甚至无法保证数据完整性：如果NN数据丢失的话，在上一次合并后的文件系统的改动会丢失。

B、Backup NameNode (HADOOP-4539)。它在内存中复制了NN的当前状态，算是Warm

Standby，可也就仅限于此，并没有failover等。它同样是阶段性的做checkpoint，也无法保 证数据完整性。

C、手动把name.dir指向NFS。这是安全的Cold Standby，可以保证元数据不丢失，但集群的恢复则完全靠手动。

D、Facebook AvatarNode。Facebook有强大的运维做后盾，所以Avatarnode只是Hot

Standby，并没有自动切换，当主NN失效的时候，需要管理员确认，然后手动把对外提供服 务的虚拟IP映射到Standby NN，这样做的好处是确保不会发生脑裂的场景。其某些设计思想和Hadoop 2.0里的HA非常相似，从时间上来看，Hadoop 2.0应该是借鉴了Facebook的做法。

E、还有若干解决方案，基本都是依赖外部的HA机制，譬如DRBD，Linux HA，VMware的

FT等等。

2、集群容量和集群性能

单NN的架构使得HDFS在集群扩展性和性能上都有潜在的问题，当集群大到一定程度 后，NN进程使用的内存可能会达到上百G，常用的估算公式为1G对应1百万个块，按缺省块 大小计算的话，大概是64T (这个估算比例是有比较大的富裕的，其实，即使是每个文件只有一个块，所有元数据信息也不会有1KB/block)。同时，所有的元数据信息的读取和操作都需 要与NN进行通信，譬如客户端的addBlock、getBlockLocations，还有DataNode的

blockRecieved、sendHeartbeat、blockReport，在集群规模变大后，NN成为了性能的瓶 颈。Hadoop 2.0里的HDFS Federation就是为了解决这两个问题而开发的。

(十一)HDFS的新特性Federation

(一)单个Namenode的HDFS架构的局限性

1. Namespace（命名空间）的限制

由于Namenode在内存中存储所有的元数据（metadata），因此单个Namenode所能存储 的对象（文件+块）数目受到Namenode所在JVM的heap size的限制。50G的heap能够存储20亿（200 million）个对象，这20亿个对象支持4000个datanode，12PB的存储（假设文件平均大小为40MB）。 随着数据的飞速增长，存储的需求也随之增长。单个datanode从

4T增长到36T，集群的尺寸增长到8000个datanode。存储的需求从12PB增长到大于

100PB。

2. 性能的瓶颈

由于是单个Namenode的HDFS架构，因此整个HDFS文件系统的吞吐量受限于单个

Namenode的吞吐量。毫无疑问，这将成为下一代MapReduce的瓶颈。

3. 隔离问题

由于HDFS仅有一个Namenode，无法隔离各个程序，因此HDFS上的一个实验程序就很有可 能影响整个HDFS上运行的程序。那么在HDFS Federation中，可以用不同的Namespace来 隔离不同的用户应用程序，使得不同Namespace Volume中的程序相互不影响。

4. 集群的可用性

在只有一个Namenode的HDFS中，此Namenode的宕机无疑会导致整个集群不可用。

5. Namespace和Block Management的紧密耦合

当前在Namenode中的Namespace和Block Management组合的紧密耦合关系会导致如果想要实现另外一套Namenode方案比较困难，而且也限制了其他想要直接使用块存储的应用。

6. 为什么纵向扩展目前的Namenode不可行？比如将Namenode的Heap空间扩大到

512GB。

这样纵向扩展带来的第一个问题就是启动问题，启动花费的时间太长。当前具有50GB Heap

Namenode的HDFS启动一次大概需要30分钟到2小时，那512GB的需要多久？ 第二个潜在的问题就是Namenode在Full GC时，如果发生错误将会导致整个集群宕机。 第三个问题是对大JVM Heap进行调试比较困难。优化Namenode的内存使用性价比比较低。

(二) 为什么要引入Federation

引入Federation的最主要原因是简单，其简单性是与真正的分布式Namenode相比而言的。

Federation能够快速的解决了大部分单Namenode HDFS的问题。

Federation是简单鲁棒的设计，由于联盟中各个Namenode之间是相互独立的。Federation 整个核心设计实现大概用了3.5个月。大部分改变是在Datanode、Config和Tools，而

Namenode本身的改动非常少，这样Namenode原先的鲁棒性不会受到影响。比分布式的

Namenode简单，虽然这种实现的扩展性比起真正的分布式的Namenode要小些，但是可以 迅速满足需求。另外一个原因是Federation良好的向后兼容性，已有的单Namenode的部署 配置不需要任何改变就可以继续工作。

因此Federation（联盟）是未来可选的方案之一。在Federation架构中可以无缝的支持目前 单Namenode架构中的配置。

(三)HDFS的Federation机制

HDFS Federation使用了多个独立的Namenode/namespace来使得HDFS的命名服务能够水平扩展。在HDFS Federation中的Namenode之间是联盟关系，他们之间相互独立且不需要相互协调。HDFS Federation中的Namenode提供了提供了命名空间和块管理功能。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，并且会周期性的发送心跳和块信息报 告，同时处理来自Namenode的指令。
(四)Federation HDFS与当前HDFS的比较及改进

当前HDFS只有一个命名空间（Namespace），它使用全部的块。而Federation HDFS中有多个独立的命名空间（Namespace），并且每一个命名空间使用一个块池（block pool）。

当前HDFS中只有一组块。而Federation HDFS中有多组独立的块。块池（block pool）就是属于同一个命名空间的一组块。

当前HDFS由一个Namenode和一组datanode组成。而Federation HDFS由多个

Namenode和一组datanode，每一个datanode会为多个块池（block pool）存储块。1.Block Pool(块池)

所谓Block pool(块池)就是属于单个命名空间的一组block(块)。每一个datanode为所有的block pool存储块。Datanode是一个物理概念，而block pool是一个重新将block划分的逻辑概念。同一个datanode中可以存着属于多个block pool的多个块。Block pool允许一个命名空间在不通知其他命名空间的情况下为一个新的block创建Block ID。同时，一个

Namenode失效不会影响其下的datanode为其他Namenode的服务。 当datanode与

Namenode建立联系并开始会话后自动建立Block pool。每个block都有一个唯一的标识， 这个标识我们称之为扩展的块ID（Extended Block ID）= BlockID+BlockID。这个扩展的块

ID在HDFS集群之间都是唯一的，这为以后集群归并创造了条件。

Datanode中的数据结构都通过块池ID（BlockPoolID）索引，即datanode中的

BlockMap，storage等都通过BPID索引。 在HDFS中，所有的更新、回滚都是以

Namenode和BlockPool为单元发生的。即同一HDFS Federation中不同的

Namenode/BlockPool之间没有什么关系。 Hadoop V0.23版本中Block Pool的管理功能依然放在了Namenode中，将来的版本中会将Block Pool的管理功能移动的新的功能节点中。

2. Datanode的改进

在datanode中，对应于每个Namnode都有一条相应的线程。每个datanode会去每一个

Namenode注册，并且周期性的给所有的Namenode发送心跳及datanode的使用报告。

Datanode还会给Namenode发送其所在的block pool的block report（块报告）。由于有多个Namenode同时存在，因此任何一个Namenode都可以随时动态加入、删除和更新。

3. Federation中的其他方面的改进

提供了工具，对于Namenode的初始化和退役的监控和管理。 允许在datanode级别或者block pool级别的负载均衡。 Datanode的后台守护进程，为Federation所做的磁盘和目录扫描。 提供了显示Namenode的Block pool的使用状态的Web UI。 还提供了对全部集群存储使用状态的UI展示。 在Web UI中列出了所有的Namenode及其细节，如Namenode-

BlockPoolID和存储的使用状态，失去联系的、活的和死的块信息。还有前往各个Namenode Web UI的链接。 Datanode退役状态的展示。

4. 多命名空间的管理问题

在一个集群中需要唯一的命名空间还是多个命名空间，核心问题命名空间中数据的共享和访 问的问题。使用全局唯一的命名空间是解决数据共享和访问的一种方法。在多命名空间下， 我们还可以使用Client Side Mount Table方式做到数据共享和访问。

5. Namespace Volume（命名空间卷）

一个Namespace和它的Block Pool合在一起称作Namespace Volume。Namespace

Volume是一个独立完整的管理单元。当一个Namenode/Namespace被删除，与之相对应 的Block Pool也也被删除。在升级时每一个Namespace Volume也会整体作为一个单元。

6. ClusterID

在HDFS Federation中添加了Cluster ID用来区分集群中的每个节点。当格式化一个

Namenode时，这个ClusterID会自动生成或者手动提供。在格式化同一集群中其他

Namenode时会用到这个ClusterID。

7. HDFS Federation对老版本的HDFS是兼容的

这种兼容性可以使得已有的Namenode配置不需要任何改变继续工作。

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