HDFS原理与应用|青训营笔记

SEANJTX
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这是我参与【第四届青训营】笔记创作活动的第3天。

01 HDFS的基本介绍

HDFS：Hadoop Distributed File System

Hadoop技术体系

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1.1 Windows单机文件系统

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1.2 Linux单机文件系统

Linux目前支持将近100种文件系统。

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1.3 分布式文件系统

  • 大容量：更多的及其，更多的存储介质。
  • 高可靠：多个副本提高容错能力。
  • 低成本：不需要高端硬件来扩容。

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1.4 分布式存储系统

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1.5 HDFS功能特性

  1. 分布式：受GFS启发，用Java实现的开源系统，没有实现完整的POSIX文件系统语义。
  2. 容错：自动处理、规避多种错误场景，例如常见的网络错误、机器宕机等。
  3. 高可用：一主多备模式实现元数据高可用，数据多副本实现用户数据的高可用。
  4. 高吞吐：Client直接从DataNode读取用户数据，服务端支持海量client并发读写。
  5. 可扩展：支持联邦集群模式，DataNode数量可达10w级别。
  6. 廉价：只需要通用硬件，不需要定制高端的昂贵硬件设备。

1.6 演示环境-HDFS节点

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02 架构原理

2.1 HDFS组件

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2.2 Client写流程

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2.3 Client读流程

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2.4 元数据节点NameNode

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  1. 维护目录树

    维护目录树的增删改查操作．保证所有修改都能持久化,以便机器掉电不会造成数据丢失或不一致。

  2. 维护文件和数据块的关系

    文件被切分成多个块,文件以数据块为单位进行多副本存放

  3. 维护文件块存放节点信息

    通过接收DataNode的心跳汇报信息，维护集群节点的拓扑结构和每个文件块所有副本所在的DataNode类表。

  4. 分配新文件存放节点

    Client创建新的文件时候，需要有NameNode来确定分配目标DataNode

2.5 数据节点DataNode

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1. 数据块存取 
DataNode需要高效实现对数据块在硬盘上的存取

2. 心跳汇报

把存放在本机的数据块列表发送给NameNode，以便NameNode能维护数据块的位置信息，同时让NameNode确定该节点处于正常存活状态

3. 副本复制 - 数据写入时Pipeline IO操作 - 机器故障时补全副本

03 关键设计

分布式存储系统的基本概念：

  1. 容错能力

    能够处理绝大部分异常场景，例如服务器宕机、网络异常、磁盘故障、网络超时等。

  2. 一致性模型

    为了实现容错，数据必须多副本存放，一致性要解决的问题是如何保障这多个副本的内容都是一致的。

  3. 可扩展性

    分布式存储系统需要具备横向扩张scale-out的能力。

  4. 节点体系

    常见的有主从模式、对等模式等，不管哪种模式，高可用是必须的功能。

  5. 数据放置

    系统是由多个节点组成，数据是多个副本存放时，需要考虑数据存放的策略。

  6. 单机存储引擎

    在绝大部分存储系统中，数据都是需要落盘持久化，单机引擎需要解决的是根据系统特点，如何高效得存取硬盘数据。

3.1 NameNode目录树维护

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  • fsimage
    • 文件系统目录树
    • 完整的存放在内存中
    • 定时存放到硬盘上
    • 修改是只会修改内存中的目录树
  • EditLog
    • 目录树的修改日志
    • client更新目录树需要持久化EditLog后才能表示更新成功
    • EditLog可存放在本地文件系统，也可存放在专用系统上
    • NameNode HA方案一个关键点就是如何实现EditLog共享

3.2 NameNode数据放置

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  • 数据块信息维护

    • 目录树保存每个文件的块id
    • NameNode维护了每个数据块所在的节点信息
    • NameNode根据DataNode汇报的信息动态维护位置信息NameNode不会持久化数据块位置信息

  • 数据放置策略

    • 新数据存放到哪写节点
    • 数据均衡需要怎么合理搬迁数据
    • 3个副本怎么合理放置

3.3 DataNode

  • 数据块的硬盘存放
    • 文件在NameNode已分割成block
    • DataNode以block为单位对数据进行存取
  • 启动扫盘
    • DataNode需要知道本机存放了哪些数据块
    • 启动时把本机硬盘上的数据块列表加载在内存中

3.4 HDFS写异常处理

Lease Recovery 租约：Client要修改一个文件时，需要通过NameNode上锁，这个锁就是租约(Lease)

情景：文件写了一半，client自己挂掉了。

可能产生的问题：

  • 副本不一致
  • Lease无法释放

解决方法：Lease Recovery

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Pipeline Recovery 情景:文件写入过程中，DataNode侧出现异常挂掉了。

异常出现的时机:

  • 创建连接时
  • 数据传输时
  • complete阶段

解决方法：Pipeline Recovery

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3.5 Client读异常处理

情景:读取文件的过程，DataNode侧出现异常挂掉了。

解决方法:节点Failover

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3.6 旁路系统

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参考文章

HDFS（一）HDFS基本介绍_红叶゜的博客-CSDN博客_hdfs

HDFS全面详解_如月之恒-的博客-CSDN博客_hdfs详解

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