1、第第10章章 分布式文件系统分布式文件系统HDFS云计算与大规模数据处理云计算与大规模数据处理提纲10.1 分布式文件系统分布式文件系统10.2 HDFS简介简介10.3 HDFS相关概念相关概念10.4 HDFS体系结构体系结构10.5 HDFS存储原理存储原理10.6 HDFS数据读写过程数据读写过程10.7 HDFS编程实践编程实践10.1分布式文件系统 10.1.1计算机集群结构计算机集群结构 10.1.2分布式文件系统的结构分布式文件系统的结构10.1.1计算机集群结构分布式文件系统把文件分布存储到多个计算机节点上，成千上万的计算机节点构成计算机集群。与之前使用多个处理器和专用高级硬
2、件的并行化处理装置不同的是，目前的分布式文件系统所采用的计算机集群，都是由普通硬件构成的，这就大大降低了硬件上的开销。图10-1 计算机集群的基本架构 10.1.2分布式文件系统的结构分布式文件系统在物理结构上是由计算机集群中的多个节点构成的，这些节点分为两类，一类叫“主节点”(Master Node)或者也被称为“名称结点”(NameNode)，另一类叫“从节点”（Slave Node）或者也被称为“数据节点”(DataNode)图10-2 大规模文件系统的整体结构10.2 HDFS简介简介总体而言，HDFS要实现以下目标：兼容廉价的硬件设备兼容廉价的硬件设备流数据读写流数据读写大数据集大数
3、据集简单的文件模型简单的文件模型强大的跨平台兼容性强大的跨平台兼容性HDFS特殊的设计，在实现上述优良特性的同时，也使得自身具有一些应用局限性，主要包括以下几个方面：不适合低延迟数据访问不适合低延迟数据访问无法高效存储大量小文件无法高效存储大量小文件不支持多用户写入及任意修改文件不支持多用户写入及任意修改文件10.3.1块块HDFS默认一个块64MB，一个文件被分成多个块，以块作为存储单位块的大小远远大于普通文件系统，可以最小化寻址开销HDFS采用抽象的块概念可以带来以下几个明显的好处： 支持大规模文件存储支持大规模文件存储：文件以块为单位进行存储，一个大规模文件可以被分拆成若干个文件块，不同
4、的文件块可以被分发到不同的节点上，因此，一个文件的大小不会受到单个节点的存储容量的限制，可以远远大于网络中任意节点的存储容量 简化系统设计简化系统设计：首先，大大简化了存储管理，因为文件块大小是固定的，这样就可以很容易计算出一个节点可以存储多少文件块；其次，方便了元数据的管理，元数据不需要和文件块一起存储，可以由其他系统负责管理元数据 适合数据备份适合数据备份：每个文件块都可以冗余存储到多个节点上，大大提高了系统的容错性和可用性10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点在HDFS中，名称节点（NameNode）负责管理分布式文件系统的命名空
5、间（Namespace），保存了两个核心的数据结构，即FsImage和EditLogFsImage用于维护文件系统树以及文件树中所有的文件和文件夹的元数据操作日志文件EditLog中记录了所有针对文件的创建、删除、重命名等操作名称节点记录了每个文件中各个块所在的数据节点的位置信息图10-3 名称节点的数据结构 名称节点的数据结构名称节点的数据结构10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点FsImage文件包含文件系统中所有目录和文件inode的序列化形式。每个inode是一个文件或目录的元数据的内部表示，并包含此类信息：文件的复制等级、修改和访问时间、访问权限、块大小以及组成文件的块。对
6、于目录，则存储修改时间、权限和配额元数据FsImage文件没有记录块存储在哪个数据节点。而是由名称节点把这些映射保留在内存中，当数据节点加入HDFS集群时，数据节点会把自己所包含的块列表告知给名称节点，此后会定期执行这种告知操作，以确保名称节点的块映射是最新的。FsImage文件文件10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点在名称节点启动的时候，它会将FsImage文件中的内容加载到内存中，之后再执行EditLog文件中的各项操作，使得内存中的元数据和实际的同步，存在内存中的元数据支持客户端的读操作。一旦在内存中成功建立文件系统元数据的映射，则创建一个新的FsImage文件和一个空的Ed
7、itLog文件名称节点起来之后，HDFS中的更新操作会重新写到EditLog文件中，因为FsImage文件一般都很大（GB级别的很常见），如果所有的更新操作都往FsImage文件中添加，这样会导致系统运行的十分缓慢，但是，如果往EditLog文件里面写就不会这样，因为EditLog 要小很多。每次执行写操作之后，且在向客户端发送成功代码之前，edits文件都需要同步更新名称节点的启动名称节点的启动10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点在名称节点运行期间，HDFS的所有更新操作都是直接写到EditLog中，久而久之， EditLog文件将会变得很大虽然这对名称节点运行时候是没有什么明显
8、影响的，但是，当名称节点重启的时候，名称节点需要先将FsImage里面的所有内容映像到内存中，然后再一条一条地执行EditLog中的记录，当EditLog文件非常大的时候，会导致名称节点启动操作非常慢，而在这段时间内HDFS系统处于安全模式，一直无法对外提供写操作，影响了用户的使用名称节点运行期间名称节点运行期间EditLog不断变大的问题不断变大的问题如何解决？答案是：SecondaryNameNode第二名称节点第二名称节点第二名称节点是HDFS架构中的一个组成部分，它是用来保存名称节点中对HDFS 元数据信息的备份，并减少名称节点重启的时间。SecondaryNameNode一般是单独运
9、行在一台机器上。10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点SecondaryNameNode的工作情况：（1）SecondaryNameNode会定期和NameNode通信，请求其停止使用EditLog文件，暂时将新的写操作写到一个新的文件edit.new上来，这个操作是瞬间完成，上层写日志的函数完全感觉不到差别；（2）SecondaryNameNode通过HTTP GET方式从NameNode上获取到FsImage和EditLog文件，并下载到本地的相应目录下；（3）SecondaryNameNode将下载下来的FsImage载入到内存，然后一条一条地执行EditLog文件中的各项更新
10、操作，使得内存中的FsImage保持最新；这个过程就是EditLog和FsImage文件合并；（4）SecondaryNameNode执行完（3）操作之后，会通过post方式将新的FsImage文件发送到NameNode节点上（5）NameNode将从SecondaryNameNode接收到的新的FsImage替换旧的FsImage文件，同时将edit.new替换EditLog文件，通过这个过程EditLog就变小了10.3.2名称节点和数据节点名称节点和数据节点数据节点是分布式文件系统HDFS的工作节点，负责数据的存储和读取，会根据客户端或者是名称节点的调度来进行数据的存储和检索，并且向名称
11、节点定期发送自己所存储的块的列表每个数据节点中的数据会被保存在各自节点的本地Linux文件系统中数据节点数据节点（DataNode）10.4 HDFS体系结构 10.4.1HDFS体系结构概述 10.4.2HDFS命名空间管理 10.4.3通信协议 10.4.4客户端 10.4.5HDFS体系结构的局限性10.4.1HDFS体系结构概述体系结构概述 HDFS采用了主从（Master/Slave）结构模型，一个HDFS集群包括一个名称节点（NameNode）和若干个数据节点（DataNode）（如图3-4所示）。名称节点作为中心服务器，负责管理文件系统的命名空间及客户端对文件的访问。集群中的数据
12、节点一般是一个节点运行一个数据节点进程，负责处理文件系统客户端的读/写请求，在名称节点的统一调度下进行数据块的创建、删除和复制等操作。每个数据节点的数据实际上是保存在本地Linux文件系统中。图10-4 HDFS体系结构 10.4.2HDFS命名空间管理命名空间管理 HDFS的命名空间包含目录、文件和块 在HDFS1.0体系结构中，在整个HDFS集群中只有一个命名空间，并且只有唯一一个名称节点，该节点负责对这个命名空间进行管理 HDFS使用的是传统的分级文件体系，因此，用户可以像使用普通文件系统一样，创建、删除目录和文件，在目录间转移文件，重命名文件等10.4.3通信协议通信协议 HDFS是一
13、个部署在集群上的分布式文件系统，因此，很多数据需要通过网络进行传输 所有的HDFS通信协议都是构建在TCP/IP协议基础之上的 客户端通过一个可配置的端口向名称节点主动发起TCP连接，并使用客户端协议与名称节点进行交互 名称节点和数据节点之间则使用数据节点协议进行交互 客户端与数据节点的交互是通过RPC（Remote Procedure Call）来实现的。在设计上，名称节点不会主动发起RPC，而是响应来自客户端和数据节点的RPC请求10.4.4客户端客户端 客户端是用户操作HDFS最常用的方式，HDFS在部署时都提供了客户端 HDFS客户端是一个库，暴露了HDFS文件系统接口，这些接口隐藏了
14、HDFS实现中的大部分复杂性 严格来说，客户端并不算是HDFS的一部分 客户端可以支持打开、读取、写入等常见的操作，并且提供了类似Shell的命令行方式来访问HDFS中的数据 此外，HDFS也提供了Java API，作为应用程序访问文件系统的客户端编程接口10.4.5HDFS体系结构的局限性体系结构的局限性HDFS只设置唯一一个名称节点，这样做虽然大大简化了系统设计，但也带来了一些明显的局限性，具体如下： （1）命名空间的限制命名空间的限制：名称节点是保存在内存中的，因此，名称节点能够容纳的对象（文件、块）的个数会受到内存空间大小的限制。 （2）性能的瓶颈性能的瓶颈：整个分布式文件系统的吞吐量
15、，受限于单个名称节点的吞吐量。 （3）隔离问题隔离问题：由于集群中只有一个名称节点，只有一个命名空间，因此，无法对不同应用程序进行隔离。 （4）集群的可用性集群的可用性：一旦这个唯一的名称节点发生故障，会导致整个集群变得不可用。10.5 HDFS存储原理 10.5.1冗余数据保存冗余数据保存 10.5.2数据存取策略数据存取策略 10.5.3数据错误与恢复数据错误与恢复10.5.1冗余数据保存冗余数据保存 作为一个分布式文件系统，为了保证系统的容错性和可用性，HDFS采用了多副本方式对数据进行冗余存储，通常一个数据块的多个副本会被分布到不同的数据节点上，如图3-5所示，数据块1被分别存放到数据
16、节点A和C上，数据块2被存放在数据节点A和B上。这种多副本方式具有以下几个优点： （1）加快数据传输速度加快数据传输速度 （2）容易检查数据错误容易检查数据错误 （3）保证数据可靠性保证数据可靠性图10-5 HDFS数据块多副本存储 10.5.2数据存取策略数据存取策略1.数据存放数据存放Block的副本放置策略第一个副本：放置在上传文件的数据节点；如果是集群外提交，则随机挑选一台磁盘不太满、CPU不太忙的节点第二个副本：放置在与第一个副本不同的机架的节点上第三个副本：与第一个副本相同机架的其他节点上更多副本：随机节点3.5.2数据存取策略数据存取策略2. 数据读取数据读取HDFS提供了一个A
17、PI可以确定一个数据节点所属的机架ID，客户端也可以调用API获取自己所属的机架ID当客户端读取数据时，从名称节点获得数据块不同副本的存放位置列表，列表中包含了副本所在的数据节点，可以调用API来确定客户端和这些数据节点所属的机架ID，当发现某个数据块副本对应的机架ID和客户端对应的机架ID相同时，就优先选择该副本读取数据，如果没有发现，就随机选择一个副本读取数据10.5.3数据错误与恢复数据错误与恢复 HDFS具有较高的容错性，可以兼容廉价的硬件，它把硬件出错看作一种常态，而不是异常，并设计了相应的机制检测数据错误和进行自动恢复，主要包括以下几种情形：名称节点出错、数据节点出错和数据出错。1
18、. 名称节点出错名称节点出错 名称节点保存了所有的元数据信息，其中，最核心的两大数据结构是FsImage和Editlog，如果这两个文件发生损坏，那么整个HDFS实例将失效。因此，HDFS设置了备份机制，把这些核心文件同步复制到备份服务器SecondaryNameNode上。当名称节点出错时，就可以根据备份服务器SecondaryNameNode中的FsImage和Editlog数据进行恢复。3.5.3数据错误与恢复数据错误与恢复2. 数据节点出错数据节点出错每个数据节点会定期向名称节点发送“心跳”信息，向名称节点报告自己的状态当数据节点发生故障，或者网络发生断网时，名称节点就无法收到来自一些
19、数据节点的心跳信息，这时，这些数据节点就会被标记为“宕机”，节点上面的所有数据都会被标记为“不可读”，名称节点不会再给它们发送任何I/O请求这时，有可能出现一种情形，即由于一些数据节点的不可用，会导致一些数据块的副本数量小于冗余因子名称节点会定期检查这种情况，一旦发现某个数据块的副本数量小于冗余因子，就会启动数据冗余复制，为它生成新的副本HDFS和其它分布式文件系统的最大区别就是可以调整冗余数据的位置3.5.3数据错误与恢复数据错误与恢复3. 数据出错数据出错网络传输和磁盘错误等因素，都会造成数据错误客户端在读取到数据后，会采用md5和sha1对数据块进行校验，以确定读取到正确的数据在文件被创
20、建时，客户端就会对每一个文件块进行信息摘录，并把这些信息写入到同一个路径的隐藏文件里面当客户端读取文件的时候，会先读取该信息文件，然后，利用该信息文件对每个读取的数据块进行校验，如果校验出错，客户端就会请求到另外一个数据节点读取该文件块，并且向名称节点报告这个文件块有错误，名称节点会定期检查并且重新复制这个块10.6 HDFS数据读写过程 10.6.1读数据的过程读数据的过程 10.6.2写数据的过程写数据的过程10.6 HDFS数据读写过程读取文件importjava.io.BufferedReader;importjava.io.InputStreamReader;importorg.ap
21、ache.hadoop.conf.Configuration;importorg.apache.hadoop.fs.FileSystem;importorg.apache.hadoop.fs.Path;importorg.apache.hadoop.fs.FSDataInputStream;publicclassChapter3publicstaticvoidmain(Stringargs)tryConfigurationconf=newConfiguration();FileSystemfs=FileSystem.get(conf);Pathfilename=newPath(“hdfs:/l
22、ocalhost:9000/user/hadoop/test.txt);FSDataInputStreamis=fs.open(filename);BufferedReaderd=newBufferedReader(newInputStreamReader(is);Stringcontent=d.readLine();/读取文件一行System.out.println(content);d.close();/关闭文件fs.close();/关闭hdfscatch(Exceptione)e.printStackTrace();10.6 HDFS数据读写过程写入文件import org.apach
23、e.hadoop.conf.Configuration; import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;import org.apache.hadoop.fs.FSDataOutputStream;import org.apache.hadoop.fs.Path; public class Chapter3 public static void main(String args) try Configuration conf = new Configuration(); FileSystem fs = FileSystem.get(conf); byte buf
24、f = Hello world.getBytes(); / 要写入的内容 String filename = hdfs:/localhost:9000/user/hadoop/test.txt; /要写入的文件名 FSDataOutputStream os = fs.create(new Path(filename); os.write(buff,0,buff.length); System.out.println(Create:+ filename); catch (Exception e) e.printStackTrace(); 10.6 HDFS数据读写过程FileSystem是一个通
25、用文件系统的抽象基类，可以被分布式文件系统继承，所有可能使用Hadoop文件系统的代码，都要使用这个类Hadoop为FileSystem这个抽象类提供了多种具体实现DistributedFileSystem就是FileSystem在HDFS文件系统中的具体实现FileSystem的open()方法返回的是一个输入流FSDataInputStream对象，在HDFS文件系统中，具体的输入流就是DFSInputStream；FileSystem中的create()方法返回的是一个输出流FSDataOutputStream对象，在HDFS文件系统中，具体的输出流就是DFSOutputStream。C
26、onfiguration conf = new Configuration();FileSystem fs = FileSystem.get(conf);FSDataInputStream in = fs.open(new Path(uri);FSDataOutputStream out = fs.create(new Path(uri);备注：创建一个Configuration对象时，其构造方法会默认加载工程项目下两个配置文件，分别是hdfs-site.xml以及core-site.xml，这两个文件中会有访问HDFS所需的参数值，主要是fs.defaultFS，指定了HDFS的地址（比如h
27、dfs:/localhost:9000），有了这个地址客户端就可以通过这个地址访问HDFS了 10.6.1读数据的过程读数据的过程FSDataInputStream封装了DFSInputStreamFileSystem fs = FileSystem.get(conf);FSDataInputStream in = fs.open(new Path(uri);Configuration conf = new Configuration();import org.apache.hadoop.fs.FileSystem通过ClientProtocal.getBlockLocations()远程调用
28、名称节点，获得文件开始部分数据块的位置对于该数据块，名称节点返回保存该数据块的所有数据节点的地址并根据距离客户端远近进行排序客户端获得输入流FSDataInputStream以后调用read()函数开始读取数据输入流根据前面的排序结果选择距离客户端最近的数据节点建立连接并读取数据数据从数据节点读到客户端，当该数据块读取完毕时 FSDataInputStream关闭和该数据节点的连接通过ClientProtocal.getBlockLocations()查找下一个数据块10.6.2写数据的过程写数据的过程FileSystem fs = FileSystem.get(conf);FSDataOut
29、putStream out = fs.create(new Path(uri);Configuration conf = new Configuration();import org.apache.hadoop.fs.FileSystemRPC远程调用名称节点在文件系统的命名空间中新建一个文件名称节点会执行一些检查（文件是否存在，客户端权限）FSDataOutputStream封装了DFSOutputStream数据被分成一个个分包分包被放入DFSOutputStream对象的内部队列DFSOutputStream向名称节点申请保存数据块的若干数据节点这些数据节点形成一个数据流管道队列中的分包最后被打包成数据包发往数据流管道中的第一个数据节点第一个数据节点将数据包发送到第二个节点依此类推，形成“流水线复制”为了保证节点数据准确，接收到数据的数据节点要向发送者发送“确认包”确认包沿着数据流管道逆流而上，经过各个节点最终到达客户端客户端收到应答时，它将对应的分包从内部队列移除DFSOutputStream调用ClientPplete()方法通知名称节点关闭文件10.7 HDFS编程实践学习HDFS编程实践，具体请参见“大数据课程学生服务站”的技术文章。访问地址： http:/
