Distribution File System DFS

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以HDFS为例，介绍分布式文件系统。

文件系统

文件系统的功能

• 文件的按名存取（基本功能）
• 文件目录的建立和维护（用于实现上述基本功能）
• 实现逻辑文件到物理文件的转换（核心内容）
• 文件存储空间的分配和管理
• 数据保密、保护和共享
• 提供一组用户使用的操作

文件

• 文件是由文件名字标识的一组信息的集合
• 各操作系统的文件命名规则略有不同
• 实现按名存取的文件系统的优点
  • 将用户从复杂的物理存储地址管理中解放出来
  • 可方便地对文件提供各种安全、保密和保护措施
  • 实现文件的共享（同名共享、异名共享）
• 如何实现**“按名存取”？**
  • 当用户要求存取某个文件时，系统查找目录文件，获得对应的文件目录
  • 在文件目录中，根据用户给定的文件名寻找到对应该文件的文件控制块（文件目录项）
  • 通过文件控制块所记录的该文件的相关信息（如文件信息存放的相对位置或文件信息首块的物理位置）依次存取该文件的内容。

文件目录

• 概念
  • **文件目录：**建立和维护的关于系统的所有文件的清单
  • **文件控制块：**每个目录项对应一个文件的信息描述
  • **目录文件：**目录信息也以文件的形式存放
• 文件控制块的基本内容
  • 文件存取控制信息：如文件名、用户名、文件主存取权限等
  • 文件结构信息：文件逻辑结构、文件的物理结构等
  • 文件使用信息：已打开该文件的进程数、文件的修改
    情况等
  • 文件管理信息：文件建立日期、文件访问日期等

文件的物理结构

• 顺序文件，连续存储
• 链接文件
• 索引文件

分布式文件系统

体系架构

• 主节点进行管理，从节点存储数据
  • 
• 文件切分成块，分散存储在从节点上

文件访问

• 单机多进程访问同一文件

  • 读写锁

• 不同机器上进程访问同一文件

  • 加锁效率太低，Hadoop使用一种immutable file

备份与一致性

1. 客服端备份 Client -server DFS
   • 在客户端进行备份，将更改过的文件传到server，改变时client和server不一致
2. 服务器端备份 Cluster-based DFS

HDFS

设计目标

• 假设硬件的异常比软件的异常更加常见
• 应用程序关注的是吞吐量，而不是响应时间。
• 文件仅支持追加，而不允许修改。
• 计算和存储采用就近原则，把代码放在远程计算，不搬运数据

数据块

• 对于Hadoop来说，都是处理的大文件
• 文件由数据块集合组成
  • 通常每块的大小为64MB
  • 每个数据块在本地文件系统已单独的文件进行存储（Linux文件系统）
• 与操作系统中文件block的区别
  • 操作系统的block是读取的物理单元
    • 目的是节省I/O
    • block总是一样大
  • 而在HDFS中是为了切大文件
    • 若最后一块小于64M，则保持原有大小

体系结构

• NameNode
  • 每个集群只有一个
  • 负责文件系统元数据操作、数据块的复制和定位
• SecondaryNameNode
  • 用于NameNode的备份节点
• DataNode
  • 集群中每个节点一个数据节点
  • 负责数据块的存储
  • 为客户端提供实际文件数据

NameNode

• 作用
  • 管理节点、接收用户的操作请求
• 核心数据文件包括
  • 元数据
    • 保存在内存中
  • 镜像文件fsimage: 维护文件系统树以及文件树中所有的文件/目录的元数据（包括文件中块所在的数据节点的位置信息）
  • 操作日志文件EditLog：记录所有针对文件的创建、删除、重命名等操作

SecondaryNameNode

• 执行过程：
  • 定期从NameNode上下载fsimage,edits。二者合并，生成新的fsimage在本地保存，并写回NameNode
  • 是“检查点”，不是“热备份”
    • 并不能保证实时都一样
• 若直接操作image，代价很高，总是先更改日志（记录操作）

DataNode

• 作用
  • 提供文件的存储
• 文件块（block）：最基本的存储单位，一个Linux文件
  • HDFS默认Block大小是64MB，
  • 以一个256MB文件，共有256/64=4个Block
• 不同于普通文件系统的是，HDFS中，如果一个文件小于一个数据块的大小，并不占用整个数据块存储空间
• 数据备份：默认是三个
• 因此，NamNode处理控制流，告诉客户存在哪里；而DataNode处理数据流，客户端直接与其进行传输。

文件访问

文件写入HDFS

可以并行写入不同节点

数据存放策略

目标：负载均衡，快速访问，支持容错

• 第一个副本：放置在上传文件的数据节点；如果是集群外提交，则随机挑选一台磁盘不太满、CPU不太忙的节点(快速写入)
• 第二个副本：放置在与第一个副本不同的机架rack的节点上(减少跨rack的网络流量)
• 第三个副本：与第一个副本相同机架的其他节点上(应对交换机故障)
• 更多副本：随机节点

从HDFS读取文件

从各个数据节点上传数据块，可以并行

数据读取策略

• 当客户端读取数据时，从NameNode获得数据块不同副本的存放位置列表，列表中包含了副本所在的数据节点
• 可以调用API来确定客户端和这些数据节点所属的机架ID
• 最近者优先原则：当发现某个数据块副本对应的机架ID和客户端对应的机架ID相同时，就优先选择该副本读取数据，如果没有发现，就随机选择一个副本读取数据

文件访问模型

• 一次写入多次读取
  • 一个文件经过创建、写入和关闭后就不得改变文件中的内容
  • 仅容许追加append（）
    • 直接对文件增加一个block
  • 对于单文件，不支持并发写，只支持并发读
    • append同一个文件只允许同时执行一个操作
  • 修改内容需删除，重新写入
• 好处：避免读写冲突、无需文件锁

备份与一致性

• 一个文件有若干备份
• 备份之间是否可能存在不一致？
  • 写入成功的备份之间是强一致的
• 一次写入多次读取

容错机制

DataNode故障

• “宕机”，节点上面的所有数据都会被标记为“不可读”
  • 数据块自动复制到剩余的节点上以保证满足备份因子
  • 由NameNode监控
• 定期检查备份因子

NameNode故障

• 根据SecondaryNameNode中的FsImage和Editlog数据进行恢复

HDFS功能

• HDFS适合做什么
  • 大文件存储
  • 流式数据访问
• HDFS不适合做什么
  • 大量小文件
  • 随机读取
  • 延迟读取