Hadoop之HDFS

1.1 HDFS

hdfs 是分布式的文件管理系统

优点 :

缺点 :

1. , 不支持低延时的数据访问。 例如毫秒级的。

2. , 无法对大量的小文件进行存储

​ 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；

​ 小文件存储的寻址时间会超过读取时间， 它违反了HDFS的设计目标。

HDFS中每个文件、目录、数据块占用150Bytes。如果存放的文件数目过多的话会占用很大的内存

3. , 并发写入，文件的随机存取。

1.2 .HDFS的组成架构

1） NameNode（nn） ：就是Master， 它是一个主管、 管理者。
（1） 管理HDFS的名称空间；
（2） 配置副本策略；
（3） 管理数据块（Block） 映射信息；
（4） 处理客户端读写请求。
2） 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。

3） 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， 然后进行上传；
（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NameNode格式化；
（5） Client可以通过一些命令来访问HDFS，比如对HDFS增删查改操作；
4） 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， 比如定期合并Fsimage和Edits， 并推送给NameNode ；
（2） 在紧急情况下， 可辅助恢复NameNode。

1.3 . 块大小（面试重点）

HDFS中的文件在物理上是分块（Block）存储的，块的大小是可以通过配置参数（dfs.blocksize）来规定的。一个文件块的默认大小是128M。

块大小的计算

如果寻址时间为10ms，即查找到目标block的时间为10ms
寻址时间为传输时间的1%，则为最佳状态。
因此传输时间=10ms/0.01=1000ms=1s
而目前磁盘传输速率普遍为100M/s
所以block大小为：1s*100M/S=100M
所以一般企业内定义的块大小为128M（机械硬盘）或256M（固态硬盘）

块大小的设置 :为什么块大小不能设置太小也不能设置太大

• HDFS的块设置太小，会增加寻址时间，程序一直在找块的位置

• HDFS块设置的太大，从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块开始位置所需的时间。导致程序在处理这块数据时，会非常慢

  总结

  HDFS的块大小主要取决于磁盘的传输速率，机械硬盘一般设置为128M，固态硬盘较快，一般设置256M

1.4 . HDFS读写流程

1.4.1 .HDFS中的block、packet、chunk

1.block

这个大家应该知道，文件上传前需要分块，这个块就是block，一般为128MB，当然你可以去改，不顾不推荐。因为块太小：寻址时间占比过高。块太大：Map任务数太少，作业执行速度变慢。它是最大的一个单位。

2.packet

packet是第二大的单位，它是client端向DataNode，或DataNode的PipLine之间传数据的基本单位，默认64KB。

3.chunk

chunk是最小的单位，它是client向DataNode，或DataNode的PipLine之间进行数据校验的基本单位，默认512Byte，因为用作校验，故每个chunk需要带有4Byte的校验位。所以实际每个chunk写入packet的大小为516Byte。由此可见真实数据与校验值数据的比值约为128 : 1。（即64*1024 / 512）

1.4.2 . HDFS 写流程

（1） 客户端通过 Distributed FileSystem 模块向 NameNode 请求上传文件， NameNode 检

查目标文件是否已存在，父目录是否存在。

（2） NameNode 返回是否可以上传。

（3） 客户端请求第一个 Block 上传到哪几个 DataNode 服务器上。

（4） NameNode 返回 3 个 DataNode 节点， 分别为 dn1、 dn2、 dn3。

（5） 客户端通过 FSDataOutputStream 模块请求 dn1 上传数据， dn1 收到请求会继续调用
dn2，然后 dn2 调用 dn3，将这个通信管道建立完成。

（6） dn1、 dn2、 dn3 逐级应答客户端。

（7）客户端开始往 dn1 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， dn1 收到一个 Packet 就会传给 dn2， dn2 传给 dn3； dn1 每传一个 packet
会放入一个应答队列等待应答。

（8） 当一个 Block 传输完成之后，客户端再次请求 NameNode 上传第二个 Block 的服务
器。（重复执行 3-7 步）。

1.4.3 . HDFS读流程

（1） 客户端通过 DistributedFileSystem 向 NameNode 请求下载文件， NameNode 通过查
询元数据，找到文件块所在的 DataNode 地址。
（2） 挑选一台 DataNode（就近原则，然后随机）服务器，请求读取数据。
（3） DataNode 开始传输数据给客户端（从磁盘里面读取数据输入流，以 Packet 为单位
来做校验）。
（4） 客户端以 Packet 为单位接收，先在本地缓存，然后写入目标文件。

• 读写过程中如何保证数据一致

通过校验和。因为每个chunk中都有一个校验位，一个个chunk构成packet，一个个packet最终形成block，故可在block上求校验和。

HDFS 的client端即实现了对 HDFS 文件内容的校验和 (checksum) 检查。当客户端创建一个新的HDFS文件时候，分块后会计算这个文件每个数据块的校验和，此校验和会以一个隐藏文件形式保存在同一个 HDFS 命名空间下。当client端从HDFS中读取文件内容后，它会检查分块时候计算出的校验和（隐藏文件里）和读取到的文件块中校验和是否匹配，如果不匹配，客户端可以选择从其他 Datanode 获取该数据块的副本。

• hdfs在写流程中某个节点出现了问题

https://blog.csdn.net/u012151684/article/details/108115727

.
└── current
├── BP-1540117091-192.168.10.102-1628241260340
│ ├── current
│ │ ├── dfsUsed
│ │ ├── finalized
│ │ │ └── subdir0
│ │ │ └── subdir0
│ │ │ └── mate.xml
│ │ ├── rbw
│ │ └── VERSION
│ ├── scanner.cursor
│ └── tmp
└── VERSION

2.NN，SNN和DN

2.1 . NN 与 SNN

1） 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 在内存中对元数据进行增删改。

2） 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。

2.2 Fsimage 和 Edits 解析

Fsimage和Edits概念

NameNode被格式化之后， 将在/opt/module/hadoop-3.1.3/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inode的序列化信息。
fsimage_0000000000000000000
fsimage_0000000000000000000.md5
seen_txid
VERSION
（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
（4） 每次NameNode启动的时候都会将Fsimage文件读入内存， 加载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。

5.3 CheckPoint 时间设置
1） 通常情况下， SecondaryNameNode 每隔一小时执行一次。

<property>
    <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
    <value>3600s</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>60s</value>
    <description> 1 分钟检查一次操作次数</description>
</property>

2.3 . DN

​ （1） 一个数据块在 DataNode 上以文件形式存储在磁盘上，包括两个文件，一个是数据
本身，一个是元数据包括数据块的长度，块数据的校验和，以及时间戳。
​ （2） DataNode 启动后向 NameNode 注册，通过后，周期性（6 小时） 的向 NameNode 上
报所有的块信息。
​ DN 向 NN 汇报当前解读信息的时间间隔，默认 6 小时；

<property>
    <name>dfs.blockreport.intervalMsec</name>
    <value>21600000</value>
    <description>Determines block reporting interval in milliseconds.</description>
</property>

​ DN 扫描自己节点块信息列表的时间，默认 6 小时

<property>
    <name>dfs.datanode.directoryscan.interval</name>
    <value>21600s</value>
    <description>Interval in seconds for Datanode to scan datadirectories and reconcile the difference between blocks in memory and on the disk.
    Support multiple time unit suffix(case insensitive), as described in dfs.heartbeat.interval.
    </description>
</property>

​ (3） 心跳是每 3 秒一次，心跳返回结果带有 NameNode 给该 DataNode 的命令如复制块
数据到另一台机器，或删除某个数据块。 如果超过 10 分钟没有收到某个 DataNode 的心跳，
则认为该节点不可用。
​ （4） 集群运行中可以安全加入和退出一些机器。

1、 DataNode进程死亡或 NameNode者网络故障造成DataNode无法与NameNode通信

2、 NameNode不会立即把该节点判定为死亡，要经过一段时间，这段时间暂称作超时时长。

3、 HDFS默认的超时时长为10分钟+30秒。

4、 如果定义超时时间为TimeOut，则超时时长的计算公式为：

​ TimeOut = 2 * dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval + 10 * dfs.heartbeat.interval。
​ 而默认的dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval 大小为5分钟， dfs.heartbeat.interval默认为3秒。

需要注意的是 hdfs-site.xml 配置文件中的 heartbeat.recheck.interval 的单位为毫秒，dfs.heartbeat.interval 的单位为秒。

<property>
    <name>dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval</name>
    <value>300000</value>
</property>
<property>
    <name>dfs.heartbeat.interval</name>
    <value>3</value>
</property>

recheck.interval 的单位为毫秒，dfs.heartbeat.interval 的单位为秒。

<property>
    <name>dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval</name>
    <value>300000</value>
</property>
<property>
    <name>dfs.heartbeat.interval</name>
    <value>3</value>
</property>