Hadoop基础-Hdfs各个组件的运行原理介绍

　　　　　　　　　　Hadoop基础-Hdfs各个组件的运行原理介绍

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　作者：尹正杰

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一.NameNode工作原理（默认端口号：50070）

1>.什么是NameNode

　　NameNode管理文件系统的命名空间。它维护着文件系统树及整棵树内所有的文件和目录。这些信息以两个文件形式永久保存在本地磁盘上：命名空间镜像文件和编辑日志文件。NameNode也记录着每个文件中各个块所在的数据节点信息，但它并不永久保存块的位置信息，因为这些信息在系统启动时由数据节点重建。

2>.Name启动流程

NameNode职责：
    >.负责客户端请求的响应
    >.元数据的管理（查询，修改）

NameNode对数据的管理采用了三种存储形式：
    >.内存元数据(NameSystem)
    >.磁盘元数据镜像文件
    >.数据操作日志文件（可通过日志运算出元数据）

元数据存储机制：
    >.内存中有一份完整的元数据(内存meta data)
    >.磁盘有一个“准完整”的元数据镜像（fsimage）文件(在namenode的工作目录中)
    >.用于衔接内存metadata和持久化元数据镜像fsimage之间的操作日志（edits文件）

NameNode启动流程概述：
    >.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。
    >.客户端对元数据进行增删改的请求
    >.NameNode记录操作日志，更新滚动日志。
    >.namenode在内存中对数据进行增删改查

在NameNode端的工作流程如下：
    >.Namenode始终在内存中保存metedata，用于处理“读请求” 到有“写请求”到来时，namenode会首先写edits到磁盘，即向edits文件中写日志，当客户端操作成功后，相应的元数据会更新到内存matedata中，并且向客户端返回.
    >.Hadoop会维护一个fsimage文件，也就是namenode中metedata的镜像，但是fsimage不会随时与namenode内存中的metedata保持一致，而是每隔一段时间通过合并edits文件来更新内容。

查看namenode版本号
    >.在/home/yinzhengjie/data/hadoop/hdfs/ha/dfs/name1/current这个目录下查看VERSION文件,
        [yinzhengjie@s101 ~]$ cat /home/yinzhengjie/data/hadoop/hdfs/ha/dfs/name1/current/VERSION
        #Mon Aug  :: EDT
        namespaceID=
        clusterID=CID-58730c19-c019-4f4c-97f1-0eb80eab6071
        cTime=
        storageType=NAME_NODE
        blockpoolID=BP--172.30.1.101-
        layoutVersion=-
        [yinzhengjie@s101 ~]$ 

    >.namenode版本号具体解释
        2.1>.namespaceID在HDFS上，会有多个Namenode，所以不同Namenode的namespaceID是不同的，分别管理一组blockpoolID。
        2.2>.clusterID集群id，全局唯一
        2.3>.cTime属性标记了namenode存储系统的创建时间，对于刚刚格式化的存储系统，这个属性为0；但是在文件系统升级之后，该值会更新到新的时间戳。
        2.4>.storageType属性说明该存储目录包含的是namenode的数据结构。
        2.5>.blockpoolID：一个block pool id标识一个block pool，并且是跨集群的全局唯一。当一个新的Namespace被创建的时候(format过程的一部分)会创建并持久化一个唯一ID。在创建过程构建全局唯一的BlockPoolID比人为的配置更可靠一些。NN将BlockPoolID持久化到磁盘中，在后续的启动过程中，会再次load并使用。
        2.6>.layoutVersion是一个负整数。通常只有HDFS增加新特性时才会更新这个版本号。

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：
    [hdfs-site.xml]
    <property>
        <name>dfs.namenode.name.dir</name>
    <value>file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name1,file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name2</value>                                        <--注意，这个值咱们也可以写绝对路径，我测试过好使！-->
    </property>

3>.NameNode注意事项

　　第一：如下图所示，第一次启动namenode格式化后，创建fsimage和edits文件

　　第二：重启hdfs分布式文件系统时，默认会自动滚动编辑日志，如下图所示：

　　第三：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，如下图所示：

 　　想要了解更多关于镜像文件和编辑日志信息，可参考：https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/9098092.html。

二.SecondaryNameNode工作原理（默认端口号：50090）

1>.什么是SecondaryNameNode

　　它是辅助namenode的进程，Secondary NameNode，为主namenode内存中的文件系统元数据创建检查点，Secondary NameNode所做的不过是在文件系统中设置一个检查点来帮助NameNode更好的工作。它不是要取代掉NameNode也不是NameNode的备份。

2>.SecondaryNameNode有两个作用

　　2.1>.镜像备份，即备份fsimage(fsimage是元数据发送检查点时写入文件)；
　　2.2>.日志与镜像的定期合并。简单的说是将Namenode中edits日志和fsimage合并,防止如果Namenode节点故障，namenode下次启动的时候，会把fsimage加载到内存中，应用edits log,edits log往往很大，导致操作往往很耗时。（这也是namenode容错的一套机制）
　　以上两个过程同时进行，称为checkpoint（检查点）。 

3>.NameNode+SecondaryNameNode的工作原理

第一阶段：NameNode启动
    >.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。
    >.客户端对元数据进行增删改的请求
    >.NameNode记录操作日志，更新滚动日志。
    >.NameNode在内存中对数据进行增删改查

第二阶段：Secondary NameNode工作
    >.Secondary NameNode询问NameNode是否需要checkpoint。直接带回NameNode是否检查结果。
    >.Secondary NameNode请求执行checkpoint。
    >.NameNode滚动正在写的edits日志
    >.将滚动前的编辑日志和镜像文件拷贝到Secondary NameNode
    >.Secondary NameNode加载编辑日志和镜像文件到内存，并合并。
    >.生成新的镜像文件fsimage.chkpoint
    >.拷贝fsimage.chkpoint到NameNode
    >.NameNode将fsimage.chkpoint重新命名成fsimage

　　检查点和编辑日志存放位置：

chkpoint检查时间参数设置
    >.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></value>
        </property>
    >.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></value>
        <description>操作动作次数</description>
        </property>

        <property>
          <name>dfs.namenode.checkpoint.check.period</name>
          <value></value>
        <description> 1分钟检查一次操作次数</description>
        </property>

SecondaryNameNode目录结构
        Secondary NameNode用来监控HDFS状态的辅助后台程序，每隔一段时间获取HDFS元数据的快照。
        在/home/yinzhengjie/hadoop-2.7./data/hdfs/dfs/namesecondary/current这个目录中查看SecondaryNameNode目录结构。
        edits_0000000000000000001-
        fsimage_0000000000000000002
        fsimage_0000000000000000002.md5
        VERSION
    SecondaryNameNode的namesecondary/current目录和主namenode的current目录的布局相同。
    好处：在主namenode发生故障时（假设没有及时备份数据），可以从SecondaryNameNode恢复数据。
    方法一：将SecondaryNameNode中数据拷贝到namenode存储数据的目录；
    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。

三.DataNode工作原理

1>.什么是DataNode

　　用大白话来说，NameNode用来存储一些元数据信息的，而DataNode却是用来存放真实数据的。

2>.DataNode的工作机制

　　如上图所示，DataNode和NameNode的通信机制如下：

　　　　1>.一个数据块在datanode上以文件形式存储在磁盘上，包括两个文件，一个是数据本身，一个是元数据包括数据块的长度，块数据的校验和，以及时间戳。
　　　　2>.DataNode启动后向namenode注册，通过后，周期性（1小时）的向namenode上报所有的块信息。
　　　　3>.心跳是每3秒一次，心跳返回结果带有namenode给该datanode的命令如复制块数据到另一台机器，或删除某个数据块。如果超过10分钟没有收到某个datanode的心跳，则认为该节点不可用。
　　集群运行中可以安全加入和退出一些机器。这种专业术语叫做集群的服役和退役。关于如何服役和退役详情请参考我之前分享的笔记：https://www.cnblogs.com/yinzhengjie/p/9101070.html

DataNode的校验和是为了保证数据的完整性：
    >.当DataNode读取block的时候，它会计算checksum;
    >.如果计算后的checksum，与block创建时值不一样，说明block已经损坏;
    >.client此时会读取其他DataNode上的block;
    >.datanode在其文件创建后周期验证checksum;
    >.不论数据是否发生改变，DataNode都会定期(默认是一小时)上报数据；

掉线时限参数设置
    datanode进程死亡或者网络故障造成datanode无法与namenode通信，namenode不会立即把该节点判定为死亡，要经过一段时间，这段时间暂称作超时时长。HDFS默认的超时时长为10分钟+30秒。如果定义超时时间为timeout，则超时时长的计算公式为：timeout  =  * dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval +  * dfs.heartbeat.interval。
    而默认的dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval 大小为5分钟，dfs.heartbeat.interval默认为3秒。需要注意的是hdfs-site.xml 配置文件中的heartbeat.recheck.interval的单位为毫秒，dfs.heartbeat.interval的单位为秒。
        [hdfs-site.xml]
        <property>
            <name>dfs.namenode.heartbeat.recheck-interval</name>
            <value></value>
        </property>
        <property>
            <name> dfs.heartbeat.interval </name>
            <value></value>
        </property>

datanode也可以配置成多个目录，每个目录存储的数据不一样。即：数据不是副本。具体配置如下：
    [hdfs-site.xml]
    <property>
            <name>dfs.datanode.data.dir</name>
            <value>file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/data1,file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/data2</value>
    </property>

四.HDFS扫盲（跟你们小伙伴聊天别被他这些简单问题问到了）

1>.请列出正常工作的Hadoop集群中Hadoop都分别需要启动哪些进程，它们的作用分别是什么?

>.NameNode它是hadoop中的主服务器，管理文件系统名称空间和对集群中存储的文件的访问，保存有metadate。
>.SecondaryNameNode它不是namenode的冗余守护进程，而是提供周期检查点和清理任务。帮助NN合并editslog，减少NN启动时间。
>.DataNode它负责管理连接到节点的存储（一个集群中可以有多个节点）。每个存储数据的节点运行一个datanode守护进程。
>.ResourceManager（JobTracker）JobTracker负责调度DataNode上的工作。每个DataNode有一个TaskTracker，它们执行实际工作。
>.NodeManager（TaskTracker）执行任务。
>.DFSZKFailoverController高可用时它负责监控NN的状态，并及时的把状态信息写入ZK。它通过一个独立线程周期性的调用NN上的一个特定接口来获取NN的健康状态。FC也有选择谁作为Active NN的权利，因为最多只有两个节点，目前选择策略还比较简单（先到先得，轮换）。
>.JournalNode 高可用情况下存放namenode的editlog文件。

2>.

3>.