大数据框架之Hadoop：HDFS（五）NameNode和SecondaryNameNode（面试开发重点）
5.1NN和2NN工作机制
5.1.1思考：NameNode中的元数据是存储在哪里的？
首先，我们做个假设，如果存储在NameNode节点的磁盘中，因为经常需要进行随机访问，还有响应客户请求，必然是效率过低。因此，元数据需要存放在内存中。但如果只存在内存中，一旦断电，元数据丢失，整个集群就无法工作了。因此产生在磁盘中备份元数据的FsImage。
这样又会带来新的问题，当在内存中的元数据更新时，如果同时更新FsImage，就会导致效率过低，但如果不更新，就会发生一致性问题，一旦NameNode节点断电，就会产生数据丢失。因此，引入Edits文件(只进行追加操作，效率很高)。每当元数据有更新或者添加元数据时，修改内存中的元数据并追加到Edits中。这样，一旦NameNode节点断电，可以通过FsImage和Edits的合并，合成元数据。
但是，如果长时间添加数据到Edits中，会导致该文件数据过大，效率降低，而且一旦断电，恢复元数据需要的时间过长。因此，需要定期进行FsImage和Edits的合并，如果这个操作由NameNode节点完成，又会效率过低。因此，引入一个新的节点SecondaryNamenode，专门用于FsImage和Edits的合并。
5.1.2NameNode工作机制
NN和2NN工作机制，如下图所示。
- 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在内存中对数据进行增删改。
- 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。
5.1.3NN和2NN工作机制详解
Fsimage：NameNode内存中元数据序列化后形成的文件。
Edits：记录客户端更新元数据信息的每一步操作（可通过Edits运算出元数据）。
NameNode启动时，先滚动Edits并生成一个空的edits.inprogress，然后加载Edits和Fsimage到内存中，此时NameNode内存就持有最新的元数据信息。Client开始对NameNode发送元数据的增删改的请求，这些请求的操作首先会被记录到edits.inprogress中（查询元数据的操作不会被记录在Edits中，因为查询操作不会更改元数据信息），如果此时NameNode挂掉，重启后会从Edits中读取元数据的信息。然后，NameNode会在内存中执行元数据的增删改的操作。
由于Edits中记录的操作会越来越多，Edits文件会越来越大，导致NameNode在启动加载Edits时会很慢，所以需要对Edits和Fsimage进行合并（所谓合并，就是将Edits和Fsimage加载到内存中，照着Edits中的操作一步步执行，最终形成新的Fsimage）。SecondaryNameNode的作用就是帮助NameNode进行Edits和Fsimage的合并工作。
SecondaryNameNode首先会询问NameNode是否需要CheckPoint（触发CheckPoint需要满足两个条件中的任意一个，定时时间到和Edits中数据写满了）。直接带回NameNode是否检查结果。SecondaryNameNode执行CheckPoint操作，首先会让NameNode滚动Edits并生成一个空的edits.inprogress，滚动Edits的目的是给Edits打个标记，以后所有新的操作都写入edits.inprogress，其他未合并的Edits和Fsimage会拷贝到SecondaryNameNode的本地，然后将拷贝的Edits和Fsimage加载到内存中进行合并，生成fsimage.chkpoint，然后将fsimage.chkpoint拷贝给NameNode，重命名为Fsimage后替换掉原来的Fsimage。NameNode在启动时就只需要加载之前未合并的Edits和Fsimage即可，因为合并过的Edits中的元数据信息已经被记录在Fsimage中。
5.2 Fsimage和Edits解析
- 概念
NameNode被格式化之后，将在/opt/modult/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name/current目录中产生如下文件
edits_inprogress_0000000000000004969
fsimage_0000000000000004966
seen_txid
VERSION
（1）fsimage文件：HDFS文件系统元数据的一个永久性检查点，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）seen_txid文件：存放最后一个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文件进行了合并。
- oiv查看Fsimage文件
（1）查看oiv和oev命令
[root@hdp101 current]# hdfs
oiv apply the offline fsimage viewer to an fsimage
oev apply the offline edits viewer to an edits file
（2）基本语法
hdfs oiv -p 文件类型 -i镜像文件 -o 转换后文件输出路径
（3）案例实操
[root@hdp101 current]# pwd
/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name/current
[root@hdp101 current]# hdfs oiv -p XML -i fsimage_0000000000000000025 -o /opt/module/hadoop-2.7.7/fsimage.xml
[root@hdp101 current]# cat /opt/module/hadoop-2.7.7/fsimage.xml
将显示的xml文件内容拷贝到Eclipse中创建的xml文件中，并格式化。
思考：可以看出，Fsimage中没有记录块所对应DataNode，为什么？
在集群启动后，要求DataNode上报数据块信息，并间隔一段时间后再次上报。
- oev查看Edits文件
（1）基本语法
hdfs oev -p 文件类型 -i编辑日志 -o 转换后文件输出路径
（2）案例实操
[root@hdp101 current]# hdfs oev -p XML -i edits_0000000000000000012-0000000000000000013 -o /opt/module/hadoop-2.7.7/edits.xml
[root@hdp101 current]# cat /opt/module/hadoop-2.7.7/edits.xml
将显示的xml文件内容拷贝到Eclipse中创建的xml文件中，并格式化。
5.3CheckPoint时间设置
（1）通常情况下，SecondaryNameNode每隔一小时执行一次。
[hdfs-default.xml]
<property>
<name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
<value>3600</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>60</value>
<description> 1分钟检查一次操作次数</description>
</property >
5.4NameNode故障处理
NameNode故障后，可以采用如下两种方法恢复数据。
方法一：将SecondaryNameNode中数据拷贝到NameNode存储数据的目录；
- kill -9 NameNode进程
- 删除NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name）
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name/*
- 拷贝SecondaryNameNode中数据到原NameNode存储数据目录
[root@hdp101 dfs]# scp -r root@hdp103:/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/namesecondary/* ./name/
- 重新启动NameNode
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# sbin/hadoop-daemon.sh start namenode
方法二：使用-importCheckpoint选项启动NameNode守护进程，从而将SecondaryNameNode中数据拷贝到NameNode目录中。
- 修改hdfs-site.xml中的
<property>
<name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
<value>120</value>
</property>
<property>
<name>dfs.namenode.name.dir</name>
<value>/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name</value>
</property>
-
kill -9 NameNode进程
-
删除NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name）
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/name/*
- 如果SecondaryNameNode不和NameNode在一个主机节点上，需要将SecondaryNameNode存储数据的目录拷贝到NameNode存储数据的平级目录，并删除in_use.lock文件
[root@hdp101 dfs]# scp -r root@hdp103:/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs/namesecondary ./
[root@hdp101 namesecondary]# rm -rf in_use.lock
[root@hdp101 dfs]# pwd
/opt/module/hadoop-2.7.7/data/tmp/dfs
[root@hdp101 dfs]# ls
data name namesecondary
- 导入检查点数据（等待一会ctrl+c结束掉）
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# bin/hdfs namenode -importCheckpoint
- 启动NameNode
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# sbin/hadoop-daemon.sh start namenode
5.5 集群安全模式
5.5.1概述
1、NameNode启动
NameNode启动时，首先将镜像文件（Fsimage）载入内存，并执行编辑日志（Edits）中的各项操作。一旦在内存中成功建立文件系统元数据的映像，则闯将一个新的Fsimage文件和一个空的编辑日志。此时，NameNode开始监听DataNode的请求。这个过程期间，NameNode一直运行在安全模式，即NameNode的文件系统对于客户端来说是只读的。
2、DataNode启动
系统中的数据块的位置并不是由NameNode维护的，而是以块列表的形式存储在DataNode中。在系统正常操作期间，NameNode会在内存中保留所有块位置的映射信息。在安全模式下，各个DataNode会向NameNode发送最新的块列表信息，NameNode了解到足够多的块信息之后，即可高效运行文件系统。
3、安全模式退出判断
如果满足“最小副本条件”，NameNode会在30s之后就退出安全模式。所谓的最小副本条件指的是在整个文件系统中99.99%的块满足最小副本级别（默认值：dfs.replication.min=1）。在启动一个刚刚格式化的HDFS集群时，因为系统中还没有任何块，所以NameNode不会进入安全模式。
5.5.2基本语法
集群处于安全模式，不能执行重要操作（写操作）。集群启动完成后，自动退出安全模式。
（1）bin/hdfs dfsadmin -safemode get （功能描述：查看安全模式状态）
（2）bin/hdfs dfsadmin -safemode enter （功能描述：进入安全模式状态）
（3）bin/hdfs dfsadmin -safemode leave （功能描述：离开安全模式状态）
（4）bin/hdfs dfsadmin -safemode wait （功能描述：等待安全模式状态）
5.5.3案例
模拟等待安全模式
（1）查看当前模式
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# hdfs dfsadmin -safemode get
Safe mode is OFF
（2）先进入安全模式
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# bin/hdfs dfsadmin -safemode enter
（3）创建并执行下面的脚本
在/opt/module/hadoop-2.7.7路径上，编辑一个脚本safemode.sh
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# touch safemode.sh
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# vim safemode.sh
#!/bin/bash
hdfs dfsadmin -safemode wait
hdfs dfs -put /opt/module/hadoop-2.7.7/README.txt /
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# chmod 777 safemode.sh
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# ./safemode.sh
（4）再打开一个窗口，执行
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]# bin/hdfs dfsadmin -safemode leave
（5）观察
（a）再观察上一个窗口
Safe mode is OFF
（b）HDFS集群上已经有上传的数据了。
5.6 NameNode多目录配置
- NameNode的本地目录可以配置成多个，且每个目录存放内容相同，增加了可靠性
- 具体配置如下
（1）在hdfs-site.xml文件中增加如下内容
<property>
<name>dfs.namenode.name.dir</name>
<value>file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name1,file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name2</value>
</property>
（2）停止集群，集群中删除data和logs中所有数据。
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]$ rm -rf data/ logs/
[root@hadoop103 hadoop-2.7.7]$ rm -rf data/ logs/
[root@hadoop104 hadoop-2.7.7]$ rm -rf data/ logs/
（3）格式化集群并启动。
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]$ bin/hdfs namenode –format
[root@hdp101 hadoop-2.7.7]$ sbin/start-dfs.sh
（4）查看结果
[root@hdp101 dfs]$ ll
总用量 12
drwx------. 3 root root 4096 12月 11 08:03 data
drwxrwxr-x. 3 root root 4096 12月 11 08:03 name1
drwxrwxr-x. 3 root root 4096 12月 11 08:03 name2