HDFS工作原理

一、HDFS 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（一般只在测试环境存在，生产环境都是搭建NN高可用的）。

（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。

二、HDFS的写数据流程

（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 根据副本存储节点选择规则(本地节点，其他机架一个节点，其他机架另一个节点)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）

三、HDFS 读数据流程

 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

四、NameNode工作机制

 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(如果是NN的HA模式，这个时候就是Standby的NN来处理第二阶段，此时的Edits 文件就在journalNode里面保存)

（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。

五、Fsimage 和 Edits 解析

（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

（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）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。

六、DataNode 工作机制

（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（时间可以配置）。

（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+30秒没有收到某个 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。

七、DataNode掉线时限参数

dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval
300000


dfs.heartbeat.interval
3

1）默认的dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval 大小为5分钟

HeartbeatManager中有一个线程，默认每5分钟会检查一次所有的datanodes，判断每个datanode是否已经死亡

（2）dfs.heartbeat.interval默认为3秒

（3）HDFS默认的超时时长为10分钟+30秒

TimeOut = 2 * dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval + 10 * dfs.heartbeat.interval