深入Hadoop HDFS

 

1. hdfs架构简介

1.1  hdfs架构挑战

1.2 架构简介

1.3 文件系统命名空间File System Namespace

1.4  数据复制

1.5 元数据持久化

1.6 信息交换协议 

2.  hdfs数据可访问性

2.1  web interface

2.2 shell command

<1>. hdfs架构简介 

1.1 hdfs架构挑战

hdfs和大多数现有的分布式文件系统存在很多类似特点，但是又具有自己一些特性：具有很高的容错性highly fault-tolerant，较高的数据吞吐量high throughput等。为了满足上面的特性，hdfs将不得不解决下面的一些棘手问题：

1. 硬件错误：在一个 hdfs系统中可能保存大量的服务器，那么每个服务器均存在硬件故障的可能性，那么hdfs需要保证能够自动检测到某个服务器错误，同时能够自动恢复。这个目标是hdfs架构的首要解决的问题。

2. 流式的数据访问Streaming Data Access：hdfs需要向应用程序提供流式的数据访问。

3. 大文件支持：在hdfs上存储的文件可能是在G级别或者是T级别的，这样hdfs需要能够对大文件支持。同时需要支持在一个实例中存储大量的文件(It should support tens of millions of files in a single instance)。

4. 数据一致性保证：hdfs需要能够支持“write-once-read-many access” 模型。 

面对上面的架构需求，我们来看看hdfs是如何满足上面的架构需求的。 

1.2 架构简介

hdfs采用的是master/slave模型，一个hdfs cluster包含一个NameNode和一些列的DataNode，其中NameNode充当的是master的角色，主要负责管理hdfs文件系统，接受来自客户端的请求；DataNode主要是用来存储数据文件，hdfs将一个文件分割成一个多这是多个的block，这些block可能存储在一个DataNode上或者是多个DataNode上。

基于上面的架构需求，hadoop采用了这种master/slave的架构，具体来说私有一下的几部分组成：

1. NameNode：基本上等同于Master的地位，复制控制底层文件的io操作，处理mapreduce任务等。

2. DataNode： 在slave机器上运行，负责实际的底层的文件的读写。如果客户端client程序发起了读hdfs上的文件的命令的话，那么首先将这些文件分成所谓的block，然后NameNode将告知client这些block数据是存储在那些DataNode上的，之后，client将直接和DataNode交互。

3. Secondary NameNode：该部分主要是定时对NameNode进行数据snapshots进行备份，这样尽量降低NameNode崩溃之后，导致数据的丢失。

4. JobTracker：该部分相当于在client program和hadoop之间的桥梁，在整个的hadoop系统中仅仅存在一个JobTracker的实例。 

 

5. TaskTracker：TaskTracker主要是负责的是每个具体的任务task，如下： 

 

1.3 文件系统命名空间File System Namespace

hdfs支持传统文件系统的目录结构，应用程序能够创佳目录directory，在这些目录中存储文件，创建文件，移动文件remove file，重命名文件，但是不支持硬链接和软连接。 

1.4 数据复制Data Replication

hdfs将一个发文件分割成block，然后将这些block存储到不同的DataNode中，那么如何保证如果一个DataNode死掉，保证数据的完整性，通常的技术就是进行数据的备份，hdfs同样使用的是这一策略。

我们现在考虑系统启动时，NameNode首先进入SafeMode，在这种模式下是不进行数据的备份（拷贝的）的，DataNode向NameNode发送Heartbeat和Blockreport，从而使得NameNode得到在每个DataNode上存储的数据文件，然后NameNode检查那些block的备份镜像数量还未达到所需备份数量，那么NameNode将对这些blocks。

 

1.5 元数据持久化

hdfs使用日志机制将对文件系统的操作全部存储在一个日志文件中，同时将整个文件系统信息（the mapping of blocks to files and file system properties）映射成一个FsImage文件，该文件存储在NameNode主机的本地文件系统上。同时FsImage和Log支持multiple copies，这些hdfs保证这些备份文件的一致性。

1.6 信息交换协议

上面讲到“DataNode向NameNode发送Heartbeat和Blockreport”，这其中显然涉及到协议的问题，hdfs communication协议是构建在tcp/ip协议上的。客户端通过ClientProtocol协议和NameNode交换信息，NameNode通过DataNode Procotol协议和DataNode交换信息。

<2>. 数据可访问性 

2.1 web interface

hdfs可以使用web页面来查看hdfs中文件系统中的目录http://localhost:50075：

 

2.2 shell command

1. 创建目录

xuqiang@ubuntu:~/hadoop/src/hadoop-0.21.0$ ./bin/hadoop dfs -mkdir /foodir

 

2. 删除目录

xuqiang@ubuntu:~/hadoop/src/hadoop-0.21.0$ ./bin/hadoop dfs -rmr/foodir

3. 上传文件

xuqiang@ubuntu:~/hadoop/src/hadoop-0.21.0$ ./bin/hadoop dfs -put./conf/* /foodir

4. 查看文件 

xuqiang@ubuntu:~/hadoop/src/hadoop-0.21.0$ bin/hadoop dfs -cat /foodir/capacity-scheduler.xml

5. 删除文件

xuqiang@ubuntu:~/hadoop/src/hadoop-0.21.0$ bin/hadoop dfs -rm /foodir/capacity-scheduler.xml