Hadoop分布式文件系统：架构和设计要点Ⅱ

五、文件系统元数据的持久化
    Namenode存储HDFS的元数据。对于任何对文件元数据产生修改的操作，Namenode都使用一个称为Editlog的事务日志记录下来。例如，在HDFS中创建一个文件，Namenode就会在Editlog中插入一条记录来表示；同样，修改文件的replication因子也将往 Editlog插入一条记录。Namenode在本地OS的文件系统中存储这个Editlog。整个文件系统的namespace，包括block到文件的映射、文件的属性，都存储在称为FsImage的文件中，这个文件也是放在Namenode所在系统的文件系统上。
    Namenode在内存中保存着整个文件系统namespace和文件Blockmap的映像。这个关键的元数据设计得很紧凑，因而一个带有4G内存的 Namenode足够支撑海量的文件和目录。当Namenode启动时，它从硬盘中读取Editlog和FsImage，将所有Editlog中的事务作用（apply)在内存中的FsImage ，并将这个新版本的FsImage从内存中flush到硬盘上,然后再truncate这个旧的Editlog，因为这个旧的Editlog的事务都已经作用在FsImage上了。这个过程称为checkpoint。在当前实现中，checkpoint只发生在Namenode启动时，在不久的将来我们将实现支持周期性的checkpoint。
    Datanode并不知道关于文件的任何东西，除了将文件中的数据保存在本地的文件系统上。它把每个HDFS数据块存储在本地文件系统上隔离的文件中。 Datanode并不在同一个目录创建所有的文件，相反，它用启发式地方法来确定每个目录的最佳文件数目，并且在适当的时候创建子目录。在同一个目录创建所有的文件不是最优的选择，因为本地文件系统可能无法高效地在单一目录中支持大量的文件。当一个Datanode启动时，它扫描本地文件系统，对这些本地文件产生相应的一个所有HDFS数据块的列表，然后发送报告到Namenode，这个报告就是Blockreport。

六、通讯协议
    所有的HDFS通讯协议都是构建在TCP/IP协议上。客户端通过一个可配置的端口连接到Namenode，通过ClientProtocol与 Namenode交互。而Datanode是使用DatanodeProtocol与Namenode交互。从ClientProtocol和 Datanodeprotocol抽象出一个远程调用(RPC），在设计上，Namenode不会主动发起RPC，而是是响应来自客户端和 Datanode 的RPC请求。

七、健壮性
    HDFS的主要目标就是实现在失败情况下的数据存储可靠性。常见的三种失败：Namenode failures, Datanode failures和网络分割（network partitions)。
1、硬盘数据错误、心跳检测和重新复制
    每个Datanode节点都向Namenode周期性地发送心跳包。网络切割可能导致一部分Datanode跟Namenode失去联系。 Namenode通过心跳包的缺失检测到这一情况，并将这些Datanode标记为dead，不会将新的IO请求发给它们。寄存在dead Datanode上的任何数据将不再有效。Datanode的死亡可能引起一些block的副本数目低于指定值，Namenode不断地跟踪需要复制的 block，在任何需要的情况下启动复制。在下列情况可能需要重新复制：某个Datanode节点失效，某个副本遭到损坏，Datanode上的硬盘错误，或者文件的replication因子增大。

2、集群均衡
   HDFS支持数据的均衡计划，如果某个Datanode节点上的空闲空间低于特定的临界点，那么就会启动一个计划自动地将数据从一个Datanode搬移到空闲的Datanode。当对某个文件的请求突然增加，那么也可能启动一个计划创建该文件新的副本，并分布到集群中以满足应用的要求。这些均衡计划目前还没有实现。

3、数据完整性
从某个Datanode获取的数据块有可能是损坏的，这个损坏可能是由于Datanode的存储设备错误、网络错误或者软件bug造成的。HDFS客户端软件实现了HDFS文件内容的校验和。当某个客户端创建一个新的HDFS文件，会计算这个文件每个block的校验和，并作为一个单独的隐藏文件保存这些校验和在同一个HDFS namespace下。当客户端检索文件内容，它会确认从Datanode获取的数据跟相应的校验和文件中的校验和是否匹配，如果不匹配，客户端可以选择从其他Datanode获取该block的副本。

4、元数据磁盘错误
    FsImage和Editlog是HDFS的核心数据结构。这些文件如果损坏了，整个HDFS实例都将失效。因而，Namenode可以配置成支持维护多个FsImage和Editlog的拷贝。任何对FsImage或者Editlog的修改，都将同步到它们的副本上。这个同步操作可能会降低 Namenode每秒能支持处理的namespace事务。这个代价是可以接受的，因为HDFS是数据密集的，而非元数据密集。当Namenode重启的时候，它总是选取最近的一致的FsImage和Editlog使用。
   Namenode在HDFS是单点存在，如果Namenode所在的机器错误，手工的干预是必须的。目前，在另一台机器上重启因故障而停止服务的Namenode这个功能还没实现。

5、快照
   快照支持某个时间的数据拷贝，当HDFS数据损坏的时候，可以恢复到过去一个已知正确的时间点。HDFS目前还不支持快照功能。

八、数据组织
1、数据块
    兼容HDFS的应用都是处理大数据集合的。这些应用都是写数据一次，读却是一次到多次，并且读的速度要满足流式读。HDFS支持文件的write- once-read-many语义。一个典型的block大小是64MB，因而，文件总是按照64M切分成chunk，每个chunk存储于不同的 Datanode
2、步骤
    某个客户端创建文件的请求其实并没有立即发给Namenode，事实上，HDFS客户端会将文件数据缓存到本地的一个临时文件。应用的写被透明地重定向到这个临时文件。当这个临时文件累积的数据超过一个block的大小（默认64M)，客户端才会联系Namenode。Namenode将文件名插入文件系统的层次结构中，并且分配一个数据块给它，然后返回Datanode的标识符和目标数据块给客户端。客户端将本地临时文件flush到指定的 Datanode上。当文件关闭时，在临时文件中剩余的没有flush的数据也会传输到指定的Datanode，然后客户端告诉Namenode文件已经关闭。此时Namenode才将文件创建操作提交到持久存储。如果Namenode在文件关闭前挂了，该文件将丢失。
   上述方法是对通过对HDFS上运行的目标应用认真考虑的结果。如果不采用客户端缓存，由于网络速度和网络堵塞会对吞估量造成比较大的影响。

3、流水线复制
    当某个客户端向HDFS文件写数据的时候，一开始是写入本地临时文件，假设该文件的replication因子设置为3，那么客户端会从Namenode 获取一张Datanode列表来存放副本。然后客户端开始向第一个Datanode传输数据，第一个Datanode一小部分一小部分（4kb)地接收数据，将每个部分写入本地仓库，并且同时传输该部分到第二个Datanode节点。第二个Datanode也是这样，边收边传，一小部分一小部分地收，存储在本地仓库，同时传给第三个Datanode，第三个Datanode就仅仅是接收并存储了。这就是流水线式的复制。

九、可访问性
    HDFS给应用提供了多种访问方式，可以通过DFSShell通过命令行与HDFS数据进行交互，可以通过java API调用，也可以通过C语言的封装API访问，并且提供了浏览器访问的方式。正在开发通过WebDav协议访问的方式。具体使用参考文档。
十、空间的回收
1、文件的删除和恢复
    用户或者应用删除某个文件，这个文件并没有立刻从HDFS中删除。相反，HDFS将这个文件重命名，并转移到/trash目录。当文件还在/trash目录时，该文件可以被迅速地恢复。文件在/trash中保存的时间是可配置的，当超过这个时间，Namenode就会将该文件从namespace中删除。文件的删除，也将释放关联该文件的数据块。注意到，在文件被用户删除和HDFS空闲空间的增加之间会有一个等待时间延迟。
    当被删除的文件还保留在/trash目录中的时候，如果用户想恢复这个文件，可以检索浏览/trash目录并检索该文件。/trash目录仅仅保存被删除文件的最近一次拷贝。/trash目录与其他文件目录没有什么不同，除了一点：HDFS在该目录上应用了一个特殊的策略来自动删除文件，目前的默认策略是删除保留超过6小时的文件，这个策略以后会定义成可配置的接口。

2、Replication因子的减小
    当某个文件的replication因子减小，Namenode会选择要删除的过剩的副本。下次心跳检测就将该信息传递给Datanode， Datanode就会移除相应的block并释放空间，同样，在调用setReplication方法和集群中的空闲空间增加之间会有一个时间延迟。

参考资料：
HDFS Java API: http://hadoop.apache.org/core/docs/current/api/
HDFS source code: http://hadoop.apache.org/core/version_control.html