HDFS架构和原理

之所以选择 HDFS 存储数据，因为 HDFS 具有以下优点：

当然 HDFS 也有它的劣势，并不适合所有的场合：

HDFS 采用Master/Slave的架构来存储数据，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

HDFS的文件读取原理，主要包括以下几个步骤：

HDFS的文件写入原理，主要包括以下几个步骤：

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

这样做的好处就是当NN内存受限时，能扩展内存，解决内存扩展问题，而且每个NN独立工作相互不受影响，比如其中一个NN挂掉啦，它不会影响其他NN提供服务，但我们需要注意的是，虽然有多个NN，分管不同的目录，但是对于特定的NN，依然存在单点故障，因为没有它没有热备，解决单点故障使用NameNode HA

2、NameNode HA

解决方案：

1、基于NFS方案

Active NN与Standby NN通过NFS实现共享数据，但如果Active NN与NFS之间或Standby NN与NFS之间，其中一处有网络故障的话，那就会造成数据同步问题

2、基于QJM方案

架构如下图

Active NN、Standby NN有主备之分，NN Active是主的，NN Standby备用的

集群启动之后，一个namenode是active状态，来处理client与datanode之间的请求，并把相应的日志文件写到本地中或JN中；

Active NN与Standby NN之间是通过一组JN共享数据（JN一般为奇数个，ZK一般也为奇数个），Active NN会把日志文件、镜像文件写到JN中去，只要JN中有一半写成功，那就表明Active NN向JN中写成功啦，Standby NN就开始从JN中读取数据，来实现与Active NN数据同步，这种方式支持容错，因为Standby NN在启动的时候，会加载镜像文件（fsimage）并周期性的从JN中获取日志文件来保持与Active NN同步

为了实现Standby NN在Active NN挂掉之后，能迅速的再提供服务，需要DN不仅需要向Active NN汇报，同时还要向Standby NN汇报，这样就使得Standby NN能保存数据块在DN上的位置信息，因为在NameNode在启动过程中最费时工作，就是处理所有DN上的数据块的信息

为了实现Active NN高热备，增加了FailoverController和ZK，FailoverController通过Heartbeat的方式与ZK通信，通过ZK来选举，一旦Active NN挂掉，就选取另一个FailoverController作为active状态，然后FailoverController通过rpc，让standby NN转变为Active NN

FailoverController一方面监控NN的状态信息，一方面还向ZK定时发送心跳，使自己被选举。当自己被选为主（Active）的时候，就会通过rpc使相应NN转变Active状态

3、结合HDFS2的新特性，在实际生成环境中部署图

这里有12个DN,有4个NN，NN-1与NN-2是主备关系，它们管理/share目录；NN-3与NN-4是主备关系，它们管理/user目录

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。

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。

大数据中最宝贵、最难以代替的就是数据，一切都围绕数据。

HDFS是最早的大数据存储系统，存储着宝贵的数据资产，各种新算法、框架要想得到广泛使用，必须支持HDFS，才能获取已存储在里面的数据。所以大数据技术越发展，新技术越多，HDFS得到的支持越多，越离不开HDFS。 HDFS也许不是最好的大数据存储技术，但依然是最重要的大数据存储技术 。

HDFS是如何实现大数据高速、可靠的存储和访问的呢？

Hadoop分布式文件系统HDFS的设计目标是管理数以千计的服务器、数以万计的磁盘，将大规模的服务器计算资源当作一个单一存储系统进行管理，对应用程序提供数以PB计的存储容量，让应用程序像使用普通文件系统一样存储大规模的文件数据。

文件以多副本的方式进行存储：

缺点：

优点：

HDFS的大容量存储和高速访问的实现。

RAID将数据分片后，在多块磁盘上并发进行读写访问，提高了存储容量、加快了访问速度，并通过数据冗余校验提高了数据可靠性，即使某块磁盘损坏也不会丢数据。将RAID的设计理念扩大到整个分布式服务器集群，就产生了分布式文件系统，这便是Hadoop分布式文件系统的核心原理。

和RAID在多个磁盘上进行文件存储及并行读写的思路一样，HDFS是在一个大规模分布式服务器集群上，对数据分片后进行并行读写及冗余存储。因为HDFS可部署在一个大的服务器集群，集群中所有服务器的磁盘都可供HDFS使用，所以整个HDFS的存储空间可以达到PB级。

HDFS是主从架构。一个HDFS集群会有一个NameNode（命名节点，简称NN），作为主服务器（master server）。

HDFS公开了文件系统名称空间，允许用户将数据存储在文件中，就好比我们平时使用os中的文件系统一样，用户无需关心底层是如何存储数据的。 在底层，一个文件会被分成一或多个数据块，这些数据库块会被存储在一组数据节点中。在CDH中数据块的默认128M。 在NameNode，可执行文件系统的命名空间操作，如打开，关闭，重命名文件等。这也决定了数据块到数据节点的映射。

HDFS被设计为可运行在普通的廉价机器上，而这些机器通常运行着一个Linux操作系统。一个典型的HDFS集群部署会有一个专门的机器只能运行 NameNode ，而其他集群中的机器各自运行一个 DataNode 实例。虽然一台机器上也可以运行多个节点，但不推荐。

负责文件数据的存储和读写操作，HDFS将文件数据分割成若干数据块（Block），每个DataNode存储一部分Block，这样文件就分布存储在整个HDFS服务器集群中。

应用程序客户端（Client）可并行访问这些Block，从而使得HDFS可以在服务器集群规模上实现数据并行访问，极大提高访问速度。

HDFS集群的DataNode服务器会有很多台，一般在几百台到几千台，每台服务器配有数块磁盘，整个集群的存储容量大概在几PB~数百PB。

负责整个分布式文件系统的元数据（MetaData）管理，即文件路径名、数据块的ID以及存储位置等信息，类似os中的文件分配表（FAT）。

HDFS为保证数据高可用，会将一个Block复制为多份（默认3份），并将多份相同的Block存储在不同服务器，甚至不同机架。当有磁盘损坏或某个DataNode服务器宕机，甚至某个交换机宕机，导致其存储的数据块不能访问时，客户端会查找其备份Block访问。

HDFS中，一个文件会被拆分为一个或多个数据块。默认每个数据块有三个副本，每个副本都存放在不同机器，而且每一个副本都有自己唯一的编号：

文件/users/sameerp/data/part-0的复制备份数设为2，存储的BlockID分别为1、3：

上述任一台服务器宕机后，每个数据块都至少还有一个备份存在，不会影响对文件/users/sameerp/data/part-0的访问。

和RAID一样，数据分成若干Block后，存储到不同服务器，实现数据大容量存储，并且不同分片的数据能并行进行读/写操作，实现数据的高速访问。

副本存放：NameNode节点选择一个DataNode节点去存储block副本的过程，该过程的策略是在可靠性和读写带宽间权衡。

《Hadoop权威指南》中的默认方式：

Google大数据“三驾马车”的第一驾是GFS（Google 文件系统），而Hadoop的第一个产品是HDFS，分布式文件存储是分布式计算的基础。

这些年来，各种计算框架、各种算法、各种应用场景不断推陈出新，但大数据存储的王者依然是HDFS。

磁盘介质在存储过程中受环境或者老化影响，其存储的数据可能会出现错乱。

HDFS对存储在DataNode上的数据块，计算并存储校验和（CheckSum）。在读数据时，重新计算读取出来的数据的校验和，校验不正确就抛异常，应用程序捕获异常后就到其他DataNode上读取备份数据。

DataNode监测到本机的某块磁盘损坏，就将该块磁盘上存储的所有BlockID报告给NameNode，NameNode检查这些数据块还在哪些DataNode上有备份，通知相应的DataNode服务器将对应的数据块复制到其他服务器上，以保证数据块的备份数满足要求。

DataNode会通过心跳和NameNode保持通信，如果DataNode超时未发送心跳，NameNode就会认为这个DataNode已经宕机失效，立即查找这个DataNode上存储的数据块有哪些，以及这些数据块还存储在哪些服务器上，随后通知这些服务器再复制一份数据块到其他服务器上，保证HDFS存储的数据块备份数符合用户设置的数目，即使再出现服务器宕机，也不会丢失数据。

NameNode是整个HDFS的核心，记录着HDFS文件分配表信息，所有的文件路径和数据块存储信息都保存在NameNode，如果NameNode故障，整个HDFS系统集群都无法使用；如果NameNode上记录的数据丢失，整个集群所有DataNode存储的数据也就没用了。

所以，NameNode高可用容错能力非常重要。NameNode采用主从热备的方式提供高可用服务：

集群部署两台NameNode服务器：

两台服务器通过Zk选举，主要是通过争夺znode锁资源，决定谁是主服务器。而DataNode则会向两个NameNode同时发送心跳数据，但是只有主NameNode才能向DataNode返回控制信息。

正常运行期，主从NameNode之间通过一个共享存储系统shared edits来同步文件系统的元数据信息。当主NameNode服务器宕机，从NameNode会通过ZooKeeper升级成为主服务器，并保证HDFS集群的元数据信息，也就是文件分配表信息完整一致。

软件系统，性能差点，用户也许可接受；使用体验差，也许也能忍受。但若可用性差，经常出故障不可用，就麻烦了；如果出现重要数据丢失，那开发摊上大事。

而分布式系统可能出故障地方又非常多，内存、CPU、主板、磁盘会损坏，服务器会宕机，网络会中断，机房会停电，所有这些都可能会引起软件系统的不可用，甚至数据永久丢失。

所以在设计分布式系统的时候，软件工程师一定要绷紧可用性这根弦，思考在各种可能的故障情况下，如何保证整个软件系统依然是可用的。

## 6 保证系统可用性的策略

任何程序、任何数据，都至少要有一个备份，也就是说程序至少要部署到两台服务器，数据至少要备份到另一台服务器上。此外，稍有规模的互联网企业都会建设多个数据中心，数据中心之间互相进行备份，用户请求可能会被分发到任何一个数据中心，即所谓的异地多活，在遭遇地域性的重大故障和自然灾害的时候，依然保证应用的高可用。

当要访问的程序或者数据无法访问时，需要将访问请求转移到备份的程序或者数据所在的服务器上，这也就是 失效转移 。失效转移你应该注意的是失效的鉴定，像NameNode这样主从服务器管理同一份数据的场景，如果从服务器错误地以为主服务器宕机而接管集群管理，会出现主从服务器一起对DataNode发送指令，进而导致集群混乱，也就是所谓的“脑裂”。这也是这类场景选举主服务器时，引入ZooKeeper的原因。ZooKeeper的工作原理，我将会在后面专门分析。

当大量的用户请求或者数据处理请求到达的时候，由于计算资源有限，可能无法处理如此大量的请求，进而导致资源耗尽，系统崩溃。这种情况下，可以拒绝部分请求，即进行 限流 ；也可以关闭部分功能，降低资源消耗，即进行 降级 。限流是互联网应用的常备功能，因为超出负载能力的访问流量在何时会突然到来，你根本无法预料，所以必须提前做好准备，当遇到突发高峰流量时，就可以立即启动限流。而降级通常是为可预知的场景准备的，比如电商的“双十一”促销，为了保障促销活动期间应用的核心功能能够正常运行，比如下单功能，可以对系统进行降级处理，关闭部分非重要功能，比如商品评价功能。

HDFS是如何通过大规模分布式服务器集群实现数据的大容量、高速、可靠存储、访问的。

1.文件数据以数据块的方式进行切分，数据块可以存储在集群任意DataNode服务器上，所以HDFS存储的文件可以非常大，一个文件理论上可以占据整个HDFS服务器集群上的所有磁盘，实现了大容量存储。

2.HDFS一般的访问模式是通过MapReduce程序在计算时读取，MapReduce对输入数据进行分片读取，通常一个分片就是一个数据块，每个数据块分配一个计算进程，这样就可以同时启动很多进程对一个HDFS文件的多个数据块进行并发访问，从而实现数据的高速访问。关于MapReduce的具体处理过程，我们会在专栏后面详细讨论。

3.DataNode存储的数据块会进行复制，使每个数据块在集群里有多个备份，保证了数据的可靠性，并通过一系列的故障容错手段实现HDFS系统中主要组件的高可用，进而保证数据和整个系统的高可用。

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