分布式文件存储系统架构和原理

1. 架构
   
   　如上图所示，HDFS也是按照Master和Slave的结构。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode这几个角色。
   　　NameNode：是Master节点，是大领导。管理数据块映射；处理客户端的读写请求；配置副本策略；管理HDFS的名称空间；
   　　SecondaryNameNode：是一个小弟，分担大哥namenode的一部分工作量；是NameNode的冷备份；合并fsimage和fsedits然后再发给namenode。
   　　DataNode：Slave节点，奴隶，干活的。负责存储client发来的数据块block；执行数据块的读写操作。
   　　热备份：b是a的热备份，如果a坏掉。那么b马上运行代替a的工作。
   　　冷备份：b是a的冷备份，如果a坏掉。那么b不能马上代替a工作。但是b上存储a的一些信息，减少a坏掉之后的损失。
   　　fsimage:元数据镜像文件（文件系统的目录树。）
   　　edits：元数据的操作日志（针对文件系统做的修改操作记录）
   　　namenode内存中存储的是=fsimage+edits。
   SecondaryNameNode负责定时默认1小时，从namenode上，获取fsimage和edits来进行合并，然后再发送给namenode。减少namenode的工作量。
2. 原理
   2.1工作机制
   NameNode 负责管理整个文件系统元数据；DataNode 负责管理具体文件数据块存储；Secondary NameNode 协助 NameNode 进行元数据的备份。
   HDFS 的内部工作机制对客户端保持透明，客户端请求访问 HDFS 都是通过向NameNode 申请来进行。

2.2读写流程

• HDFS 写数据流程
  1、 client 发起文件上传请求，通过 RPC 与 NameNode 建立通讯，NameNode
  检查目标文件是否已存在，父目录是否存在，返回是否可以上传；
  2、 client 请求第一个 block 该传输到哪些 DataNode 服务器上；
  3、 NameNode 根据配置文件中指定的备份数量及机架感知原理进行文件分
  配，返回可用的 DataNode 的地址如：A，B，C；
  注： Hadoop 在设计时考虑到数据的安全与高效，数据文件默认在 HDFS 上存放
  三份， 存储策略 为本地一份，同机架内其它某一节点上一份，不同机架的某一
  节点上一份。
  4、 client 请求 3 台 DataNode 中的一台 A 上传数据（本质上是一个 RPC 调
  用，建立 pipeline）， A 收到请求会继续调用 B，然后 B 调用 C，将整个
  pipeline 建立完成，后逐级返回 client；
  5、 client 开始往 A 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（默认 64K），A 收到一个 packet 就会传给 B，
  B 传给 C；A 每传一个 packet 会放入一个应答队列等待应答。
  6、 数据被分割成一个个 packet 数据包在 pipeline 上依次传输，在
  pipeline 反方向上，逐个发送 ack（命令正确应答），最终由 pipeline
  中第一个 DataNode 节点 A 将 pipeline ack 发送给 client;
  7、 当一个 block 传输完成之后，client 再次请求 NameNode 上传第二个
  block 到服务器。

*HDFS 读数据流程
1、 Client 向 NameNode 发起 RPC 请求，来确定请求文件 block 所在的位置；
2、 NameNode会视情况返回文件的部分或者全部block列表，对于每个block，
NameNode 都会返回含有该 block 副本的 DataNode 地址；
3、 这些返回的 DN 地址，会按照集群拓扑结构得出 DataNode 与客户端的距
离，然后进行排序，排序两个规则：网络拓扑结构中距离 Client 近的排
靠前；心跳机制中超时汇报的 DN 状态为 STALE，这样的排靠后；
4、 Client 选取排序靠前的 DataNode 来读取 block，如果客户端本身就是
DataNode,那么将从本地直接获取数据；
5、 底层上本质是建立 Socket Stream（FSDataInputStream），重复的调用
父类 DataInputStream 的 read 方法，直到这个块上的数据读取完毕；
6、 当读完列表的 block 后，若文件读取还没有结束，客户端会继续向
NameNode 获取下一批的 block 列表；
7、 读取完一个 block 都会进行 checksum 验证，如果读取 DataNode 时出现
错误，客户端会通知 NameNode，然后再从下一个拥有该 block 副本的
DataNode 继续读。
8、 read 方法是并行的读取 block 信息，不是一块一块的读取；NameNode 只
是返回Client请求包含块的DataNode地址，并不是返回请求块的数据；
9、 最终读取来所有的 block 会合并成一个完整的最终文件。