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大数据篇：HDFS

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HDFS

HDFS是什么?

Hadoop分布式文件系统(HDFS)是指被设计成适合运行在通用硬件(commodity hardware)上的分布式文件系统（Distributed File System）。它和现有的分布式文件系统有很多共同点。但同时，它和其他的分布式文件系统的区别也是很明显的。HDFS是一个高度容错性的系统，适合部署在廉价的机器上。HDFS能提供高吞吐量的数据访问，非常适合大规模数据集上的应用。HDFS放宽了一部分POSIX约束，来实现流式读取文件系统数据的目的。HDFS在最开始是作为Apache Nutch搜索引擎项目的基础架构而开发的。HDFS是Apache Hadoop Core项目的一部分。

如果没有HDFS!

  1. 大文件的储存我们必须要拓展硬盘。
  2. 硬盘拓展到一定的量以后，我们就不能在一个硬盘上储存文件了，要换一个硬盘，这样文件管理就成了问题。
  3. 为了防止文件的损坏吗，我们需要创建副本，副本的管理也成了问题。
  4. 分布式计算非常麻烦。

1 HDFS出现原因

1.1 早期文件服务器

  • 从上图中，我们可以看出，存储一个文件，我们一直往一个机子上面存是不够的，那么我们在储存量不够的时候就会加机子。
  • 但是如果一个文件放在一台机子上，如果该机器挂了，那么文件就丢失了，不安全。
    所以我们会把一个文件放在多台机子上，创建一个索引文件来储存文件的指针，如图中的file1存储在node1,node2,node3上面，以此类推
  • 缺点：
    • 难以实现负载均衡
      • 文件大小不同，负载均衡不易实现
      • 用户自己控制文件大小
    • 难以并行化处理
      • 只能利用一个节点资源处理一个文件
      • 无法动用集群资源处理同一个文件

1.2 HDFS文件服务器

  • HDFS前提和设计目标
    • 存储超大文件
      • HDFS适合存储大文件，单个文件大小通常在百MB以上
      • HDFS适合存储海量文件，总存储量可达PB,EB级
    • 硬件容错
      • 基于普通机器搭建，硬件错误是常态而不是异常，因此错误检测和快速、自动的恢复是HDFS最核心的架构目标
    • 流式数据访问
      • 为数据批处理而设计，关注数据访问的高吞吐量
    • 简单的一致性模型
      • 一次写入，多次读取
      • 一个文件经过创建、写入和关闭之后就不需要改变
      • 如果是update操作其实是增加了版本号，并没有修改源文件
    • 本地计算
      • 将计算移动到数据附近(数据在哪个节点就在哪里计算)

  • 从上图我们看出，HDFS是把一个大的数据，拆成很多个block块，然后在将block存储在各个机子上。
    创建文件对应block的指针文件，和block对应的节点node的指针文件。
  • 源自于Google的GFS论文
    • 发表于2003年10月
    • HDFS是GFS克隆版
    • 易于扩展的分布式文件系统
    • 运行在大量普通廉价机器上，提供容错机制
    • 为大量用户提供性能不错的文件存取服务

1.3 HDFS优缺点

  • 优点
    • 高容错性
      • 数据自动保存多个副本
      • 副本丢失后，自动恢复
    • 适合批处理
      • 移动计算而非数据
      • 数据位置暴露给计算框架
    • 适合大数据处理
      • GB、TB、甚至PB级数据
      • 百万规模以上的文件数量
      • 10K+节点规模
    • 流式文件访问
      • 一次性写入，多次读取
      • 保证数据一致性
    • 可构建在廉价机器上
      • 通过多副本提高可靠性
      • 提供了容错和恢复机制
  • 缺点
    • 低延迟数据访问(慢)
      • 比如毫秒级
      • 低延迟与高吞吐率
    • 小文件存取
      • 占用NameNode大量内存
      • 寻道时间超过读取时间
    • 并发写入、文件随机修改
      • 一个文件只能有一个写者
      • 仅支持append(追加)
  • 适用场景：适合一次写入，多次读出的场景，支持追加数据且不支持文件的修改。

1.4 基本构成

  • 数据块
    • 文件以块为单位进行切分存储，块通常设置的比较大（最小6M，默认128M）,根据网络带宽计算最佳值。
    • 块越大，寻址越快，读取效率越高，但同时由于MapReduce任务也是以块为最小单位来处理，所以太大的块不利于于对数据的并行处理。
    • 一个文件至少占用一个块（如果一个1KB文件，占用一个块，但是占用空间还是1KB）
    • 我们在读取HDFS上文件的时候，NameNode会去寻找block地址，寻址时间为传输时间的1%时，则为最佳状态。
      • 目前磁盘的传输速度普遍为100MB/S
      • 如果寻址时间约为10ms，则传输时间=10ms/0.01=1000ms=1s
      • 如果传输时间为1S，传输速度为100MB/S，那么一秒钟我们就可以向HDFS传送100MB文件，设置块大小128M比较合适。
      • 如果带宽为200MB/S，那么可以将block块大小设置为256M比较合适。
  • Namenode(master管理者)
    • 管理HDFS的文件树及名称空间
    • 数据复制策略
    • 管理数据块（Block）的映射信息
    • 处理客户端读写请求。
  • Datanode（slave实际操作者）
    • 存储实际的数据块
    • 执行数据块的读写请求
  • Client（客户端）
    • 文件切分，上传HDFS时，将文件切分成一个一个Block，然后进行上传。
    • 与Namenode交互，获取文件位置信息。
    • 与Datanode交互，读取或者写入数据。
    • 提供API来管理HDFS。
  • SecondaryNameNode
    • 并非是NameNode的热备，当NameNode挂掉的时候，它并不能马上替换NameNode并提供服务。
    • 辅助NameNode，比如根据检查点，定期合并Fsimage和Edits，并推送给NameNode。

1.5 所处角色

2 HDFS物理网络环境（集群结构）

  • 比较重要服务功能最好能部署在不同的节点上，如：NN。
  • 不重要的可以在一个节点上，如：DN。
  • 副本选择机制：当副本为3的时候，第一个为本地最近的节点，第二个为同机架的不同节点，第三个为不同机架的不同节点。

3 HDFS 读写工作原理

3.1 HDFS文件写入流程

  1. 客户端创建 DistributedFileSystem 对象.
  2. DistributedFileSystem 对象调用元数据节点，在文件系统的命名空间中创建一个新的文件，元数据节点首先确定文件原来不存在，并且客户端有创建文件的权限，然后创建新文件，并标识为“上传中”状态，即可以看见，但不能使用。
  3. DistributedFileSystem 返回 DFSOutputStream，客户端用于写数据。
  4. 客户端开始写入数据，DFSOutputStream 将数据分成块，写入 data queue（Data queue 由 Data Streamer 读取），并通知元数据节点分配数据节点，用来存储数据块（每块默认复制 3 块）。分配的数据节点放在一个 pipeline 里。Data Streamer 将数据块写入 pipeline 中的第一个数据节点。第一个数据节点将数据块发送给第二个数据节点。第二个数据节点将数据发送给第三个数据节点。注意：并不是第一个数据节点完全接收完 block 后再发送给后面的数据节点，而是接收到一部分 就发送，所以三个节点几乎是同时接收到完整的 block 的。DFSOutputStream 为发出去的数据块保存了 ack queue，等待 pipeline 中的数据节点告知数据已经写入成功。如果 block 在某个节点的写入的过程中失败：关闭 pipeline，将 ack queue 放 至 data queue 的开始。已经写入节点中的那些 block 部分会被元数据节点赋予新 的标示，发生错误的节点重启后能够察觉其数据块是过时的，会被删除。失败的节点从 pipeline 中移除，block 的其他副本则写入 pipeline 中的另外两个数据节点。元数据节点则被通知此 block 的副本不足，将来会再创建第三份备份。
  5. ack queue 返回成功。
  6. 客户端结束写入数据，则调用 stream 的 close 函数，
  7. 最后通知元数据节点写入完毕

  • 总结：

    客户端切分文件 Block，按 Block 线性地和 NN 获取 DN 列表（副本数），验证 DN 列表后以更小的单位流式传输数据，各节点两两通信确定可用，Block 传输结束后，DN 向 NN 汇报 Block 信息，DN 向 Client 汇报完成，Client 向 NN 汇报完成，获取下一个 Block 存放的 DN 列表，最终 Client 汇报完成，NN 会在写流程更新文件状态。

3.2 HDFS文件读取流程

  1. 客户端(client)用 FileSystem 的 open()函数打开文件。
  2. DistributedFileSystem 调用元数据节点，得到文件的数据块信息。对于每一个数据块，元数据节点返回保存数据块的数据节点的地址。
  3. DistributedFileSystem 返回 FSDataInputStream 给客户端，用来读取数据。
  4. 客户端调用 stream 的 read()函数开始读取数据（也会读取 block 的元数据）。DFSInputStream 连接保存此文件第一个数据块的最近的数据节点（优先读取同机架的 block）。
  5. Data 从数据节点读到客户端。当此数据块读取完毕时，DFSInputStream 关闭和此数据节点的连接，然后连接此文件下一个数据块的最近的数据节点。
  6. 当客户端读取完毕数据的时候，调用 FSDataInputStream 的 close 函数。
  7. 在读取数据的过程中，如果客户端在与数据节点通信出现错误，则尝试连接包含此数据块的下一个数据节点。失败的数据节点将被记录，以后不再连接。

  • 总结：

    客户端和 NN 获取一部分 Block（获取部分 block 信息，而不是整个文件全部的 block 信 息，读完这部分 block 后，再获取另一个部分 block 的信息）副本位置列表，线性地和 DN 获取 Block，最终合并为一个文件，在 Block 副本列表中按距离择优选取，如果选取到的副本完整就返回，否则找下一个副本。

4 深入

4.1 NameNode和SecondaryNameNode

  • 作用：
    • Namespace管理：负责管理文件系统中的树状目录结构以及文件与数据块的映射关系
    • 块信息管理：负责管理文件系统中文件的物理块与实际存储位置的映射关系BlocksMap
    • 集群信息管理：机架信息，datanode信息
    • 集中式缓存管理：从Hadoop2.3 开始，支持datanode将文件缓存到内存中，这部分缓存通过NN集中管理
  • 存储结构：
    • 内存： Namespace数据，BlocksMap数据，其他信息
    • 文件：
      • 已持久化的namespace数据：FsImage
      • 未持久化的namespace操作：Edits

合并流程：

  1. NN 创建一个新的 edits log 来接替老的 edits 的工作
  2. NN 将 fsimage 和旧的 edits 拷备到 SNN 上
  3. SNN 上进行合并操作，产生一个新的 fsimage
  4. 将新的 fsimage 复制一份到 NN 上
  5. 使用新的 fsimage 和新的 edits log

4.2 集群启动过程

  1. 开启安全模式：不能执行数据修改操作

  2. 加载fsimage

  3. 逐个执行所有Edits文件中的每一条操作将操作合并到fsimage，完成后生成一个空的edits文件

  4. 接收datanode发送来的心跳消息和块信息

  5. 根据以上信息确定文件系统状态

  6. 退出安全模式

4.3 安全模式

  • 安全模式：文件系统只接受读数据请求，而不接受删除、修改等变更请求
  • 什么情况下进入：NameNode主节点启动时，HDFS进入安全模式
  • 什么时候时候退出：系统达到安全标准时，HDFS退出安全模式
    • dfs.namenode.safemode.min.datanodes: 最小可用datanode数量
    • dfs.namenode.safemode.threshold-pct: 副本数达到最小要求的block占系统总文件block数的百分比
      • 总文件block数100个,每个block需要有3个副本,满足3个副本的block数量为70个，那么pct=70%(默认0.999)
      • 常见进入安全模式不退出就是因为学习机器不够，副本数低于3，这个参数进行验证不通过。
    • dfs.namenode.safemode.extension: 稳定时间
  • 相关命令：
    • hdfs dfsadmin -safemode get：查看当前状态
    • hdfs dfsadmin -safemode enter：进入安全模式
    • hdfs dfsadmin -safemode leave：强制离开安全模式
    • hdfs dfsadmin -safemode wait：一直等待直到安全模式结束

5 HDFS Federation (联邦)

通过多个 namenode/namespace 把元数据的存储和管理分散到多个节点中，使到namenode/namespace 可以通过增加机器来进行水平扩展。能把单个 namenode 的负载分散到多个节点中，在 HDFS 数据规模较大的时候不会也降低 HDFS 的性能。可以通过多个namespace 来隔离不同类型的应用，把不同类型应用的 HDFS 元数据的存储和管理分派到不同的 namenode 中。核心：多台 namenode 管理的是同一个集群！

假设服务器内存：128G=137438953472字节 ，一个块大概使用150字节，那么可以存储的块数量为：916259689g个，因为一个默认块大小为128M，那么可以储存的文件大小为109PB左右，远远达不到大数据的规模（目前有些大公司能达到一台NameNode管理上EB的数据），这个时候就需要Federation(联邦)，多个NameNode管理一套集群。

6 HDFS HA（High Availability高可用）

6.1 高可用架构图

  • 主备 NameNode，解决单点故障：
    • ANN：ActiveNameNode，对外提供服务，SNN 同步 ANN 元数据，以待切换。
    • SNN：StandbyNameNode，完成了 edits.log 文件的合并产生新的 image，推送回 ANN。
    • JNN：JournalNode，ANN 和 SNN 通过 JNN 集群来共享信息。两个 NameNode 为了数据同步，会通过一组称作 JournalNodes 的独立进程进行相互通信。当 ANN 的命名空间有任何修改时，会告知大部分的 JournalNodes 进程。SNN 有能力读取 JNs 中的变更信息，并且一直监控 edit log 的变化，把变化应用于自己的命名空间。SNN 可以确保在集群出错时，命名空间状态已经完全同步了。在 HA 架构里面 SecondaryNameNode 这个冷备角色已经不存在了，为了保持 SNN 实时的与 ANN 的元数据保持一致，他们之间交互通过一系列守护的轻量级进程 JournalNode。基本原理就是用 2N+1 台 JN 存储 editlog，每次写数据操作有超过 半数（>=N+1）返回成功时即认为该次写成功，数据不会丢失了。当然这个算法所能容忍 的是最多有 N 台机器挂掉，如果多于 N 台挂掉，这个算法就失效了。任何修改操作在 ANN上执行时，JN 进程同时也会记录修改 log 到至少半数以上的 JN 中，这时 SNN 监测到 JN 里面的同步 log 发生变化了会读取 JN 里面的修改 log，然后同步到自己的的目录镜像树里面。当发生故障时，ANN 挂掉后，SNN 会在它成为 ANN 前，读取所有的 JN 里面的修改日志，这样就能高可靠的保证与挂掉的 NN 的目录镜像树一致，然后无缝的接替它的职责，维护来自客户端请求，从而达到一个高可用的目的。
    • DN：同时向两个 NameNode 汇报数据块信息（位置）。
  • 两个 NN 之间的切换：
    • 手动切换：通过命令实现主备之间的切换，可以用 HDFS 升级等场合。
    • 自动切换：基于 Zookeeper 实现。
  • HDFS 2.x 提供了 ZookeeperFailoverController 角色，部署在每个 NameNode 的节点上，作为一个 deamon 进程, 简称 zkfc，zkfc 主要包括三个组件：
    • HealthMonitor：监控 NameNode 是否处于 unavailable 或 unhealthy 状态。当前通过RPC 调用 NN 相应的方法完成。
    • ActiveStandbyElector：管理和监控自己在 ZK 中的状态。
    • ZKFailoverController：它订阅 HealthMonitor 和 ActiveStandbyElector 的事件，并管理NameNode 的状态。
      • 简称ZKFC，就是Zookeeper客户端。
      • ZKFailoverController 主要职责：
        • 健康监测：周期性的向它监控的 NN 发送健康探测命令，从而来确定某个NameNode 是否处于健康状态，如果机器宕机，心跳失败，那么 zkfc 就会标记它处于一个不健康的状态
        • 会话管理：如果 NN 是健康的，zkfc 就会在 zookeeper 中保持一个打开的会话，如果 NameNode 同时还是 Active 状态的，那么 zkfc 还会在 Zookeeper 中占有一个类型为短暂类型的 znode，当这个 NN 挂掉时，这个 znode 将会被删除，然后备用的NN，将会得到这把锁，升级为主 NN，同时标记状态为 Active，当宕机的 NN 新启动时，它会再次注册 zookeper，发现已经有 znode 锁了，便会自动变为 Standby状态，如此往复循环，保证高可靠，需要注意，目前仅仅支持最多配置 2 个 NN.
        • master 选举：如上所述，通过在 zookeeper 中维持一个短暂类型的 znode，来实现抢占式的锁机制，从而判断那个 NameNode 为 Active 状态。

6.2 故障转移流程

  • 上图注意：SecondaryNameNode被另一台NameNode取代，edits文件交由qjournal管理。

6.3 CM配置HA注意点：

cdh01.com--------

QuorumPeerMain(zk)

DFSZKFailoverController

NameNode

JournalNode

cdh02.com--------

QuorumPeerMain(zk)

DFSZKFailoverController

JournalNode

DataNode

cdh03.com--------

QuorumPeerMain(zk)

JournalNode

DataNode

7 HDFS纠删码(时间换空间)

  • hdfs3.0后引入纠删码

  • 复制策略：1tb数据，需要3tb磁盘空间

  • 纠删码：只需要复制策略一半左右的磁盘空间，而且同样可以保证数据的可靠性

a=1

b=2

c=3

a+b+c=6

a+2b+3c=14

a+3b+4c=19

我们需要求出a,b,c的值，那么最少需要的方程数为？3个

如果有4个方程，就允许丢失任意一个方程

如果有5个方程，就允许丢失任意两个方程

a=1

b=2

c=3

视为数据

a+b+c=6

a+2b+3c=14

a+3b+4c=19

视为一个效验/沉余数据

如果是复制策略，要允许丢失任意2份数据，我们需要3*3=9份空间

如果是究删码策略，要允许丢失任意2份数据，我们需要3+2=5份空间

8 HDFS文件类型

文件格式 类型 存储方式 是否带schema 特点描述 出处
txt,json,csv 行式 文本 否 默认存储方式(txt)，数据内容可以直接cat查看，存储效率较高，处理效率低。压缩比较低 Hadoop
Sequence file 行式 二进制 是 以key，value对的方式存储。压缩比中等 Hadoop
Avro 行式 二进制 是 数据序列化框架，同时支持RPC，数据自带schema，支持比较丰富的数据类型。与protobuf, thrift 类似。压缩比中等 Hadoop
RC(record columnar) 列式 二进制 是 列式存储，将数据按照行组分块，读取以行组为单位，但是行组中可以跳过不需要的列。压缩比中等 Hive
ORC(optimized record columnar) 列式 二进制 是 升级版的RC，使用了更优化的存储结构，从而获得更好的性能，另外支持对数据的修改和ACID。压缩比高 Hive
Parquet 列式 二进制 是 支持嵌套类型，可高效实现对列的查询或统计。压缩比高 Impala

9 数据压缩类型

压缩格式 split 压缩率 压缩速度 是否 hadoop自带 linux命令 换成压缩格式后，原来的应用程序是否要修改 使用建议
gzip 否 很高 比较快 是 有 和文本处理一样，不需要修改 • 使用方便
• 当每个文件压缩之后在130M以内的（1个块大小内），都可以考虑用gzip压缩格式
lzo 是 比较高 很快 否，需要安装 有 需要建索引，还需要指定输入格式 • 压缩率和压缩速度综合考虑
• 支持split，是hadoop中最流行的压缩格式；
• 一个很大的文本文件，压缩之后还大于200M以上的可以考虑，而且单个文件越大，lzo优点越明显
• cloudera&twitter
snappy 否 比较高 很快 否，需要安装 没有 和文本处理一样，不需要修改 • 压缩率和压缩速度综合考虑
• 当mapreduce作业的map输出的数据比较大的时候，作为map到reduce的中间数据的压缩格式
• spark默认压缩格式
• google出品
bzip2 是 最高 慢 是 有 和文本处理一样，不需要修改 • 压缩率高
• 适合对速度要求不高，但需要较高的压缩率，比如数据比较大，需要压缩存档减少磁盘空间并且以后数据用得比较少的情况

10 HDFS常用命令

  1. -help:输出这个命令参数。如：hadoop fs -help ls (输出ls命令的参数)
  2. -ls:显示目录信息。如：hadoop fs -ls / (查询hdfs上根目录的目录,，递归创建加 -R参数)
  3. -mkdir:在hdfs上创建目录。如：hadoop fs -mkdir /haha (根目录下创建haha文件夹，递归创建加 -p参数)
  4. -moveFromLocal:从本地剪切粘贴到hdfs。如：hadoop fs -moveFromLocal /haha/xixi.txt / (将本地haha文件夹下的xixi.txt文件剪切粘贴到hdfs的根目录下)
  5. -copyFromLocal:从本地拷贝到hdfs上。如：用法同上
  6. -copyToLocal:从hdfs上拷贝到本地。如：用法同上
  7. -cp:从hdfs的一个路径拷贝到hdfs的另一个路径。如：方法同上
  8. -mv:从hdfs上的一个路径移动到hdfs的另一个路径。如：方法同上
  9. -appendToFile:追加一个文件到已经存在的文件末尾。如：hadoop fs -appendToFile /haha/lala.txt /xixi.txt (将本地lala.txt文件内容追加到hdfs上xixi.txt里)
  10. -cat:显示文件内容。如：hadoop fs -cat /xixi.txt (查看xixi.txt)
  11. -tail:显示一个文件的末尾。
  12. -chmod:修改文件权限。如：hadoop fs -chmod 777 /xixi.txt (修改xixi.txt文件的权限)
  13. -get:等同于copyToLocal，就是从hdfs下载文件到本地。如：hadoop fs -get /xixi.txt ./ (下载到当前本地路径)
  14. -getmerge:合并下载多个文件，如：hadoop fs -getmerge /log/*.txt ./sum.txt (将hdfs上log文件夹下的所有.txt文件整合在一起，下载到本地，名字为sum.txt)
  15. -put:等同于copyFromLocal，就是上传文件到hdfs。如：hadoop fs -put /xixi.txt / (上传到hdfs的根路径)
  16. -rmr:删除文件或目录
  17. -df:统计文件系统的可用空间信息。如：hadoop fs -df -h /
  18. -du:统计文件夹的大小信息。如：-s总大小、-h单位
  19. -count:统计一个指定目录下的文件节点数。如：结果2 2 199 （第一个参数说的是最多有几级目录，第二个参数说的是一共有多少文件）

11 HDFS SHELL操作

11.1 hdfs常用基础命令

  • 帮助：hadoop fs -help

  • 查看结构：hdfs dfs -ls [/查看目录名称]

  • 上传：hdfs dfs -put [文件] [/上传目录名称]

  • 拷贝：hdfs dfs -cp [源文件名] [目标文件名]

  • 查看文件：hdfs dfs -cat [文件名]

  • 删除：hdfs dfs -rmr [文件]

  • 修改权限(同linux)：hdfs dfs -chmod [权限级别] [文件]

  • 查看硬盘：hdfs dfs -df -h

  • 查看每个文件占用大小：hdfs dfs -du -h [目录]

11.2 本地->HDFS命令

  • 上传：hdfs dfs -put [文件] [/上传目录名称]

  • 上传(同put)：hdfs dfs -copyFromLocal [文件] [/上传目录名称]

  • 剪切上传：hdfs dfs -moveFromLocal [文件] [/上传目录名称]

  • 追加：hdfs dfs -appendToFile [源文件] [/需要追加的文件]

11.3 HDFS->本地命令

  • 下载：hdfs dfs -get [/HDFS源文件] [本地路径]

  • 下载(同get)：hdfs dfs -copyToLocal [/HDFS源文件] [本地路径]

  • 合并下载：hdfs dfs -getmerge [/HDFS源文件] [本地文件名]

11.4 合并小文件

  • 打包：hadoop archive -archiveName [har包名称] -p [/需要打包文件] [/打包文件存放地址]

  • 查看包：hdfs dfs -ls har://[har包文件]

12 windows 大数据开发环境配置

  1. 下载winutils解压
  3. 配置对应版本的环境变量名为：HADOOP_HOME 值为：解压目录如上F:\bigdatasoft\hadoop\winutils-master\hadoop-3.0.0
  4. 环境变量Path添加：%HADOOP_HOME%\bin
  5. 重启电脑，打开cmd，输入winutils，出现下图证明配置成功


13 基本API使用

项目地址：https://github.com/70416450/Bigdata-Util

  • 修改hdfs.properties中的配置信息
  • 使用单元测试类测试每一个API吧。

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