每个磁盘都有默认的数据块大小,这是磁盘进行数据读/写的最小单位。构建于单个磁盘之上的文件系统通过磁盘块来管理该文件系统中的块,该文件系统块的大小可以是磁盘块的整数倍。文件系统块一般为几千字节,而磁盘块一般为 512 字节。但这些对于需要读/写文件的文件系统用户来说是透明的。
HDFS 同样也有块(block)的概念,但是大得多,默认为 128MB。与单一磁盘上的文件系统相似,HDFS上的文件也被划分为块大小的多个分块,作为独立的存储单元。但与面向单一磁盘的文件系统不同的是,HDFS中小于一个块大小的文件不会占据整个块的空间,例如当一个1MB的文件存储在一个128MB的块中时,文件只使用1MB的磁盘空间,而不是128MB。
HDFS 中的块为什么这么大?HDFS的块比磁盘的块大,其目的是为了最小化寻址开销。如果块足够大,从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块开始位置所需的时间。因为,传输一个由多个块组成的大文件的时间取决于磁盘传输速率。但是块大小这个参数也不会设置得过大,MapReduce中map任务通常一次只处理一个块中的数据,因此如果任务数太少(少于集群中的节点数量),作业的运行速度就会比较慢。
对分布式文件系统中的块进行抽象会带来很多好处。
在 HDFS 中显示块信息:
- hdfs fsck / -files -blocks
可以执行命令修改HDFS的数据块大小以及复本数量:
- vim $HADOOP_HOME/etc/hadoop/hdfs-site.xml
运行中的 NameNode 有如下所示的目录结构:
VERSION文件 :是一个 Java 属性文件,其中包含正在运行的HDFS的版本信息。该文件一般包含以下内容:
- #Mon Sep 29 09:54:36 BST 2014 namespaceID=1342387246 clusterID=CID-01b5c398-959c-4ea8-aae6-1e0d9bd8b142 cTime=0 storageType=NAME_NODE blockpoolID=BP-526805057-127.0.0.1-1411980876842 layoutVersion=-57
编辑日志(edits log)
文件系统客户端执行写操作时,这些事务首先被记录到 edits 中。NameNode 在内存中维护文件系统的元数据;当被修改时,相关元数据信息也同步更新。内存中的元数据可支持客户端的读请求。我们可以使用 OEV 查看 edits 文件:
选项解析:
oev 中的 e 指定了镜像文件
命令如下:
- <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
- <EDITS>
- <EDITS_VERSION>-63</EDITS_VERSION>
- <RECORD>
- <!-- 开始日志段-->
- <OPCODE>OP_START_LOG_SEGMENT</OPCODE>
- <DATA>
- <!-- 事务id-->
- <TXID>1</TXID>
- </DATA>
- </RECORD>
- <RECORD>
- <!-- 结束日志段-->
- <OPCODE>OP_END_LOG_SEGMENT</OPCODE>
- <DATA>
- <TXID>2</TXID>
- </DATA>
- </RECORD>
- </EDITS>
-
命名空间镜像文件(fsimage)
文件系统元数据的持久检查点,每个fsimage文件包含文件系统中的所有目录和文件inode的序列化信息(从Hadoop-2.4.0起,FSImage开始采用Google Protobuf编码格式),每个inodes表征一个文件或目录的元数据信息以及文件的副本数、修改和访问时间等信息。数据块存储在DataNode中,但fsimage文件并不描述DataNode。我们可以使用OIV查看fsimage文件 :
选项解析:
oiv中的i指定了image文件
命令如下:
- # hdfs oiv -p XML -i fsimage_0000000000000014026 -o fsimage.xml
- <?xml version="1.0"?>
- <fsimage>
- <NameSection>
- <!-- 默认的开启编号-->
- <genstampV1>1000</genstampV1>
- <!-- 最后一个块的编号-->
- <genstampV2>2215</genstampV2>
- <genstampV1Limit>0</genstampV1Limit>
- <!-- 最后一个分配的块的块id-->
- <lastAllocatedBlockId>1073743027</lastAllocatedBlockId>
- <!-- 开始的事务id号-->
- <txid>14026</txid>
- </NameSection>
- <INodeSection>
- <!-- 最后一个文件(目录)的inode号-->
- <lastInodeId>18763</lastInodeId>
- <!--当前文件系统中只有根目录,以下为根目录的相关信息-->
- <inode>
- <id>16385</id>
- <type>DIRECTORY</type>
- <name></name>
- <mtime>1560256204322</mtime>
- <permission>root:root:rwxrwxrwx</permission>
- <nsquota>9223372036854775807</nsquota>
- <dsquota>-1</dsquota>
- </inode>
- <inode>
- <id>16417</id>
- <type>DIRECTORY</type>
- <name>myInfo</name>
- <mtime>1552974220469</mtime>
- <permission>root:root:rwxrwxrwx</permission>
- <nsquota>-1</nsquota>
- <dsquota>-1</dsquota>
- </inode>
- <inode>
- <id>16418</id>
- <type>FILE</type>
- <name>myInfo.txt</name>
- <replication>1</replication>
- <mtime>1552830434241</mtime>
- <atime>1552974031814</atime>
- <perferredBlockSize>134217728</perferredBlockSize>
- <permission>root:root:rwxrwxrwx</permission>
- <blocks>
- <block>
- <id>1073741855</id>
- <genstamp>1031</genstamp>
- <numBytes>147</numBytes>
- </block>
- </blocks>
- </inode>
- ......... // inode文件太多,省略
- </INodeSection>
- <INodeReferenceSection></INodeReferenceSection>
- <SnapshotSection>
- <snapshotCounter>0</snapshotCounter>
- </SnapshotSection>
- <INodeDirectorySection>
- <directory>
- <parent>16385</parent>
- <inode>18543</inode>
- <inode>16474</inode>
- <inode>16419</inode>
- <inode>16417</inode>
- <inode>16427</inode>
- <inode>17544</inode>
- <inode>17561</inode>
- </directory>
- <directory>
- <parent>16417</parent>
- <inode>16420</inode>
- </directory>
- <directory>
- <parent>16419</parent>
- <inode>17399</inode>
- <inode>17258</inode>
- <inode>16418</inode>
- <inode>17294</inode>
- </directory>
- ...... // 省略其他<directory>标签
- </INodeDirectorySection>
- <FileUnderConstructionSection>
- </FileUnderConstructionSection>
- <SecretManagerSection>
- <currentId>0</currentId>
- <tokenSequenceNumber>0</tokenSequenceNumber>
- </SecretManagerSection>
- <CacheManagerSection>
- <nextDirectiveId>1</nextDirectiveId>
- </CacheManagerSection>
- </fsimage>
-
seen_txid 文件
该文件对于NameNode非常重要,它是存放 transactionId 的文件,format 之后是0,它代表的是 NameNode 里面的 edits_ 文件的尾数,NameNode 重启的时候,会按照seen_txid 的数字,循序从头跑 edits_00001~ 到 seen_txid 的数字。当 hdfs 发生异常重启的时候,一定要比对 seen_txid 内的数字是不是你edits最后的尾数,不然会发生建置 NameNode 时元数据信息缺失,导致误删 DataNode 上多余 block。
in_use.lock 文件
是一个锁文件,NameNode 使用该文件为存储目录加锁。可以避免其他 NameNode 实例同时使用(可能会破坏)同一个存储目录的情况。
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(fsimage)和编辑日志文件(edits log)。它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,因为这些信息会在系统启动时根据DataNode节点信息重建,块信息存储在内存中。
可以看得出来NameNode的正常运行是非常重要的,如果运行的NameNode服务的机器毁坏,文件系统上所有的文件将会丢失,因为我们不知道如何根据DataNode的块重建文件。因此,Hadoop为此提供两种实现NameNode容错机制:
Hadoop SecondaryNameNode并不是Hadoop的第二个namanode,它不提供NameNode服务,而仅仅是NameNode的一个工具,这个工具帮助NameNode管理元数据信息。可能是由于SecondaryNameNode这个名字给人带来的混淆,Hadoop后面的版本(1.0.4)建议不要使用,而使用CheckPoint Node。但在这小节中,小编还是使用SecondaryNamenode。
运行中的SecondaryNamenode(辅助NameNode)的目录结构与主NameNode的目录结构几乎一样,但有部分时间不相同,它为主NameNode内存中的文件系统元数据创建检查点(后面解释)尚未成功时两者不相同。运行中的SecondaryNamenode有如下所示的目录结构:
当 NameNode 启动时,需要合并 fsimage 和 edits 文件,按照edits文件内容将fsimage进行事务处理,从而得到HDFS的最新状态。实际应用中,NameNode很少重新启动。假如存在一个庞大的集群,且关于HDFS的操作相当频繁与复杂,那么就会产生一个非常大的edits文件用于记录操作,这就带来了以下问题:
此时,Secondary NameNode就要发挥它的作用了:合并edits文件,防止edits文件持续增长。该辅助NameNode会为主NameNode内存中的文件系统元数据创建检查点(fsimage文件),创建检查点前HDFS会自动进入安全模式(safe mode),当NameNode处在安全模式,管理员也可手动调用hdfs dfsadmin -saveNameSpace命令来创建检查点。创建检查点的步骤如下所示(如图中也简单地描述)。
创建检查点的步骤图
最终,主NameNode拥有最新的fsimage文件和一个更小的正在进行中的edits文件(edits文件可能非空,因为在创建检查点过程中主NameNode还可能收到一些编辑请求)。这个过程清晰解释了辅助NameNode和主NameNode拥有相近内存需求的原因(因为辅助NameNode也把fsimage文件载入内存)。因此,在大型集群中,辅助NameNode需要运行在一台专用机器上。
在hdfs-site.xml中可以配置与检查点触发点有关的属性:
- <property>
- <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
- <value>3600</value>
- <description>两个定期检查点之间的秒数
- </description>
- </property>
-
- <property>
- <name>dfs.namenode.checkpoint.txns</name>
- <value>1000000</value>
- <description>secondarynamenode或检查点节点将创建检查点
- 每个“dfs.namenode.checkpoint.txns”事务的名称空间
- 判断“dfs.namenode.checkpoint.period”是否已过期
- </description>
- </property>
-
- <property>
- <name>dfs.namenode.checkpoint.check.period</name>
- <value>60</value>
- <description>SecondaryNameNode和CheckpointNode将轮询NameNode
- 每隔'dfs.namenode.checkpoint.check.period'秒查询一次
- 未存入检查点事务
- </description>
- </property>
-
默认情况下,辅助NameNode每隔一个小时创建检查点;此外,如果从上一个检查点开始编辑日志的大小已经达到100万个事务时,即使不到一小时,也会创建检查点,检查频率为每分钟一次。
这个过程namesecondary目录发生了更新;secondaryNameNode的检查点目录的布局与NameNode的是相同的,这种设计的好处是NameNode发生故障时,可以从secondaryNameNode恢复数据;有两种实现方法:一是将相关存储目录复制到新的NameNode中;二是使用-importCheckpoint选项启动NameNode守护进程,从而将secondaryNameNode用作新的NameNode
与第一次开启hdfs过程不同的是此次有30多秒的安全模式:
在安全模式中在等待块报告,这也关系到DataNode的运行过程。
DataNode是文件系统的工作节点。它们根据需要存储并检索数据块(受客户端或NameNode调度),并且定期向NameNode发送它们所存储的块的列表。
和NameNode不同的是,DataNode的存储目录是初始阶段自动创建的,不需要额外格式化。DataNode的关键文件和目录如下所示:
分析:从上图可以看出,dataNode的文件结构主要由blk_前缀文件、BP-random integer-NameNode-IP address-creation time和VERSION构成。
注 :当目录中数据块的数量增加到一定规模时,DataNode会创建一个子目录来存放新的数据块及其元数据信息。如果当前目录已经存储了64个(通过dfs.datanode.numblocks属性设置)数据块时,就创建一个子目录。终极目标是设计一棵高扇出的目录树,即使文件系统中的块数量非常多,目录树的层数也不多。通过这种方式,DataNode可以有效管理各个目录中的文件,避免大多数操作系统遇到的管理难题,即很多(成千上万个)文件放在同一个目录之中。
- #Mon Sep 29 09:54:36 BST 2014storageID=DS-c478e76c-fe1b-44c8-ba45-4e4d6d266547 clusterID=CID-01b5c398-959c-4ea8-aae6-1e0d9bd8b142 cTime=0 datanodeUuid=75ffabf0-813c-4798-9a91-e7b1a26ee6f1 storageType=DATA_NODE layoutVersion=-57
通常DataNode从磁盘中读取块,但对于访问频繁的文件,其对应的块可能被显式地缓存在DataNode内存中,以堆外块缓存(off-heap block cache)的形式存在。默认情况下,一个块仅缓存在一个DataNode的内存中,当然可以对每个文件配置DataNode的数量。作业调度器(用于MapReduce、Spark和其他框架的)通过在缓存块的DataNode上运行任务,可以利用块缓存的优势提高读操作的性能。
用户或应用通过在缓存池(cache pool)中增加一个 cache directive来告诉NameNode需要缓存哪些文件及存多久。缓存池是一个用于管理缓存权限和资源使用的管理性分组。
本小节只简单描述,有关HDFS的缓存管理请查阅官方文档或者其他等相关资料。
NameNode在内存中保存文件系统中每个文件和每个数据块的引用关系,这意味着对于一个拥有大量文件的超大集群来说,内存将成为限制系统横向扩展的瓶颈。在2.X发行版本系列中引入的联邦HDFS允许系统通过添加NameNode实现扩展,其中每个NameNode管理文件系统命名空间中的一部分。
在联邦环境中,每个NameNode维护一个命名空间卷(namespace volume),由命名空间的元数据和一个数据块池(block pool)组成,数据块池包含该命名空间下文件的所有数据块。命名空间卷之间是相互独立的,两两之间并不相互通信,甚至其中一个NameNode的失效也不会影响由其他NameNode维护的命名空间的可用性。
集群中的DataNode还需要注册到每个NameNode,并且存储着来自多个数据块池中的数据块。
联邦HDFS的架构图如下图所示:
联邦HDFS更详细的请查阅官方文档。
HDFS读数据过程这一设计的一个重点是:客户端可以直接连接到DataNode检索数据,且NameNode告知客户端每个块所在的最佳DataNode,由于数据流分散在集群中的所有DataNode,所以这种设计能使HDFS扩展到大量的并发客户端。同时,NameNode只需要响应块位置的请求(这些信息存储在内存中,因而非常高效),无需响应数据请求,否则随着客户端数量的增长,NameNode会很快称为瓶颈。
这里 HdfsDataInputStream 是 FSDataInputStream 的子类,这里是通过子类创建父类对象。