分布式文件存储系统架构和原理
- 架构
如上图所示,HDFS也是按照Master和Slave的结构。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode这几个角色。
NameNode:是Master节点,是大领导。管理数据块映射;处理客户端的读写请求;配置副本策略;管理HDFS的名称空间;
SecondaryNameNode:是一个小弟,分担大哥namenode的一部分工作量;是NameNode的冷备份;合并fsimage和fsedits然后再发给namenode。
DataNode:Slave节点,奴隶,干活的。负责存储client发来的数据块block;执行数据块的读写操作。
热备份:b是a的热备份,如果a坏掉。那么b马上运行代替a的工作。
冷备份:b是a的冷备份,如果a坏掉。那么b不能马上代替a工作。但是b上存储a的一些信息,减少a坏掉之后的损失。
fsimage:元数据镜像文件(文件系统的目录树。)
edits:元数据的操作日志(针对文件系统做的修改操作记录)
namenode内存中存储的是=fsimage+edits。
SecondaryNameNode负责定时默认1小时,从namenode上,获取fsimage和edits来进行合并,然后再发送给namenode。减少namenode的工作量。 - 原理
2.1工作机制
NameNode 负责管理整个文件系统元数据;DataNode 负责管理具体文件数据块存储;Secondary NameNode 协助 NameNode 进行元数据的备份。
HDFS 的内部工作机制对客户端保持透明,客户端请求访问 HDFS 都是通过向NameNode 申请来进行。
2.2读写流程
- HDFS 写数据流程
1、 client 发起文件上传请求,通过 RPC 与 NameNode 建立通讯,NameNode
检查目标文件是否已存在,父目录是否存在,返回是否可以上传;
2、 client 请求第一个 block 该传输到哪些 DataNode 服务器上;
3、 NameNode 根据配置文件中指定的备份数量及机架感知原理进行文件分
配,返回可用的 DataNode 的地址如:A,B,C;
注: Hadoop 在设计时考虑到数据的安全与高效,数据文件默认在 HDFS 上存放
三份, 存储策略 为本地一份,同机架内其它某一节点上一份,不同机架的某一
节点上一份。
4、 client 请求 3 台 DataNode 中的一台 A 上传数据(本质上是一个 RPC 调
用,建立 pipeline), A 收到请求会继续调用 B,然后 B 调用 C,将整个
pipeline 建立完成,后逐级返回 client;
5、 client 开始往 A 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(默认 64K),A 收到一个 packet 就会传给 B,
B 传给 C;A 每传一个 packet 会放入一个应答队列等待应答。
6、 数据被分割成一个个 packet 数据包在 pipeline 上依次传输,在
pipeline 反方向上,逐个发送 ack(命令正确应答),最终由 pipeline
中第一个 DataNode 节点 A 将 pipeline ack 发送给 client;
7、 当一个 block 传输完成之后,client 再次请求 NameNode 上传第二个
block 到服务器。
*HDFS 读数据流程
1、 Client 向 NameNode 发起 RPC 请求,来确定请求文件 block 所在的位置;
2、 NameNode会视情况返回文件的部分或者全部block列表,对于每个block,
NameNode 都会返回含有该 block 副本的 DataNode 地址;
3、 这些返回的 DN 地址,会按照集群拓扑结构得出 DataNode 与客户端的距
离,然后进行排序,排序两个规则:网络拓扑结构中距离 Client 近的排
靠前;心跳机制中超时汇报的 DN 状态为 STALE,这样的排靠后;
4、 Client 选取排序靠前的 DataNode 来读取 block,如果客户端本身就是
DataNode,那么将从本地直接获取数据;
5、 底层上本质是建立 Socket Stream(FSDataInputStream),重复的调用
父类 DataInputStream 的 read 方法,直到这个块上的数据读取完毕;
6、 当读完列表的 block 后,若文件读取还没有结束,客户端会继续向
NameNode 获取下一批的 block 列表;
7、 读取完一个 block 都会进行 checksum 验证,如果读取 DataNode 时出现
错误,客户端会通知 NameNode,然后再从下一个拥有该 block 副本的
DataNode 继续读。
8、 read 方法是并行的读取 block 信息,不是一块一块的读取;NameNode 只
是返回Client请求包含块的DataNode地址,并不是返回请求块的数据;
9、 最终读取来所有的 block 会合并成一个完整的最终文件。