一、HDFS架构及原理

1、HDFS 是做什么的

HDFS（Hadoop Distributed File System）是Hadoop项目的核心子项目，是分布式计算中数据存储管理的基础，是基于流数据模式访问和处理超大文件的需求而开发的，可以运行于廉价的商用服务器上。它所具有的高容错、高可靠性、高可扩展性、高获得性、高吞吐率等特征为海量数据提供了不怕故障的存储，为超大数据集（Large Data Set）的应用处理带来了很多便利。

2、HDFS 从何而来

HDFS 源于 Google 在2003年10月份发表的GFS（Google File System） 论文。 它其实就是 GFS 的一个克隆版本

3、为什么选择 HDFS 存储数据

之所以选择 HDFS 存储数据，因为 HDFS 具有以下优点：

1、高容错性

• 数据自动保存多个副本。它通过增加副本的形式，提高容错性。
• 某一个副本丢失以后，它可以自动恢复，这是由 HDFS 内部机制实现的，我们不必关心。

2、适合批处理

• 它是通过移动计算而不是移动数据。
• 它会把数据位置暴露给计算框架。

3、适合大数据处理

• 处理数据达到 GB、TB、甚至PB级别的数据。
• 能够处理百万规模以上的文件数量，数量相当之大。
• 能够处理10K节点的规模。

4、流式文件访问

• 一次写入，多次读取。文件一旦写入不能修改，只能追加。
• 它能保证数据的一致性。

5、可构建在廉价机器上

• 它通过多副本机制，提高可靠性。
• 它提供了容错和恢复机制。比如某一个副本丢失，可以通过其它副本来恢复。

当然 HDFS 也有它的劣势，并不适合所有的场合：

1、低延时数据访问

• 比如毫秒级的来存储数据，这是不行的，它做不到。
• 它适合高吞吐率的场景，就是在某一时间内写入大量的数据。但是它在低延时的情况下是不行的，比如毫秒级以内读取数据，这样它是很难做到的。

2、小文件存储

• 存储大量小文件(这里的小文件是指小于HDFS系统的Block大小的文件（默认64M）)的话，它会占用 NameNode大量的内存来存储文件、目录和块信息。这样是不可取的，因为NameNode的内存总是有限的。
• 小文件存储的寻道时间会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标。

3、并发写入、文件随机修改

• 一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写。
• 仅支持数据 append（追加），不支持文件的随机修改。

4、HDFS 如何存储数据

HDFS 采用Master/Slave的架构来存储数据，这种架构主要由四个部分组成，分别为HDFS Client、NameNode、DataNode和Secondary NameNode。下面我们分别介绍这四个组成部分

1、Client：就是客户端。

• 文件切分。文件上传 HDFS 的时候，Client 将文件切分成 一个一个的Block，然后进行存储。
• 与 NameNode 交互，获取文件的位置信息。
• 与 DataNode 交互，读取或者写入数据。
• Client 提供一些命令来管理 HDFS，比如启动或者关闭HDFS。
• Client 可以通过一些命令来访问 HDFS。

2、NameNode：就是 master，它是一个主管、管理者。

• 管理 HDFS 的名称空间
• 管理数据块（Block）映射信息
• 配置副本策略
• 处理客户端读写请求。

3、DataNode：就是Slave。NameNode 下达命令，DataNode 执行实际的操作。

• 存储实际的数据块。
• 执行数据块的读/写操作。

4、Secondary NameNode：并非 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，分担其工作量。
• 定期合并 fsimage和fsedits，并推送给NameNode。
• 在紧急情况下，可辅助恢复 NameNode。

5、HDFS 如何读取文件

HDFS的文件读取原理，主要包括以下几个步骤：

• 首先调用FileSystem对象的open方法，其实获取的是一个DistributedFileSystem的实例。
• DistributedFileSystem通过RPC(远程过程调用)获得文件的第一批block的locations，同一block按照重复数会返回多个locations，这些locations按照hadoop拓扑结构排序，距离客户端近的排在前面。
• 前两步会返回一个FSDataInputStream对象，该对象会被封装成 DFSInputStream对象，DFSInputStream可以方便的管理datanode和namenode数据流。客户端调用read方法，DFSInputStream就会找出离客户端最近的datanode并连接datanode。
• 数据从datanode源源不断的流向客户端。
• 如果第一个block块的数据读完了，就会关闭指向第一个block块的datanode连接，接着读取下一个block块。这些操作对客户端来说是透明的，从客户端的角度来看只是读一个持续不断的流。
• 如果第一批block都读完了，DFSInputStream就会去namenode拿下一批blocks的location，然后继续读，如果所有的block块都读完，这时就会关闭掉所有的流。

6、HDFS 如何写入文件

HDFS的文件写入原理，主要包括以下几个步骤：

• 客户端通过调用 DistributedFileSystem 的create方法，创建一个新的文件。
• DistributedFileSystem 通过 RPC（远程过程调用）调用 NameNode，去创建一个没有blocks关联的新文件。创建前，NameNode 会做各种校验，比如文件是否存在，客户端有无权限去创建等。如果校验通过，NameNode 就会记录下新文件，否则就会抛出IO异常。
• 前两步结束后会返回 FSDataOutputStream 的对象，和读文件的时候相似，FSDataOutputStream 被封装成 DFSOutputStream，DFSOutputStream 可以协调 NameNode和 DataNode。客户端开始写数据到DFSOutputStream,DFSOutputStream会把数据切成一个个小packet，然后排成队列 data queue。
• DataStreamer 会去处理接受 data queue，它先问询 NameNode 这个新的 block 最适合存储的在哪几个DataNode里，比如重复数是3，那么就找到3个最适合的 DataNode，把它们排成一个 pipeline。DataStreamer 把 packet 按队列输出到管道的第一个 DataNode 中，第一个 DataNode又把 packet 输出到第二个 DataNode 中，以此类推。
• DFSOutputStream 还有一个队列叫 ack queue，也是由 packet 组成，等待DataNode的收到响应，当pipeline中的所有DataNode都表示已经收到的时候，这时akc queue才会把对应的packet包移除掉。
• 客户端完成写数据后，调用close方法关闭写入流。
• DataStreamer 把剩余的包都刷到 pipeline 里，然后等待 ack 信息，收到最后一个 ack 后，通知 DataNode 把文件标示为已完成。

7、HDFS 副本存放策略

namenode如何选择在哪个datanode 存储副本（replication）？这里需要对可靠性、写入带宽和读取带宽进行权衡。Hadoop对datanode存储副本有自己的副本策略，在其发展过程中一共有两个版本的副本策略，分别如下所示

8、hadoop2.x新特性

• 引入了NameNode Federation，解决了横向内存扩展
• 引入了Namenode HA，解决了namenode单点故障
• 引入了YARN，负责资源管理和调度
• 增加了ResourceManager HA解决了ResourceManager单点故障

1、NameNode Federation

架构如下图

• 存在多个NameNode，每个NameNode分管一部分目录
• NameNode共用DataNode

这样做的好处就是当NN内存受限时，能扩展内存，解决内存扩展问题，而且每个NN独立工作相互不受影响，比如其中一个NN挂掉啦，它不会影响其他NN提供服务，但我们需要注意的是，虽然有多个NN，分管不同的目录，但是对于特定的NN，依然存在单点故障，因为没有它没有热备，解决单点故障使用NameNode HA

2、NameNode HA

解决方案：

• 基于NFS共享存储解决方案
• 基于Qurom Journal Manager(QJM)解决方案

1、基于NFS方案

Active NN与Standby NN通过NFS实现共享数据，但如果Active NN与NFS之间或Standby NN与NFS之间，其中一处有网络故障的话，那就会造成数据同步问题

2、基于QJM方案

架构如下图

Active NN、Standby NN有主备之分，NN Active是主的，NN Standby备用的

集群启动之后，一个namenode是active状态，来处理client与datanode之间的请求，并把相应的日志文件写到本地中或JN中；

Active NN与Standby NN之间是通过一组JN共享数据（JN一般为奇数个，ZK一般也为奇数个），Active NN会把日志文件、镜像文件写到JN中去，只要JN中有一半写成功，那就表明Active NN向JN中写成功啦，Standby NN就开始从JN中读取数据，来实现与Active NN数据同步，这种方式支持容错，因为Standby NN在启动的时候，会加载镜像文件（fsimage）并周期性的从JN中获取日志文件来保持与Active NN同步

为了实现Standby NN在Active NN挂掉之后，能迅速的再提供服务，需要DN不仅需要向Active NN汇报，同时还要向Standby NN汇报，这样就使得Standby NN能保存数据块在DN上的位置信息，因为在NameNode在启动过程中最费时工作，就是处理所有DN上的数据块的信息

为了实现Active NN高热备，增加了FailoverController和ZK，FailoverController通过Heartbeat的方式与ZK通信，通过ZK来选举，一旦Active NN挂掉，就选取另一个FailoverController作为active状态，然后FailoverController通过rpc，让standby NN转变为Active NN

FailoverController一方面监控NN的状态信息，一方面还向ZK定时发送心跳，使自己被选举。当自己被选为主（Active）的时候，就会通过rpc使相应NN转变Active状态

3、结合HDFS2的新特性，在实际生成环境中部署图

这里有12个DN,有4个NN，NN-1与NN-2是主备关系，它们管理/share目录；NN-3与NN-4是主备关系，它们管理/user目录

 来源：https://www.cnblogs.com/codeOfLife/p/5375120.html

二、NFS基本原理

知识储备

1. NFS是将网络上某台主机的共享目录映射到本地，直接对其进行操作，NFS也是NAS的一种解决方案
2. 该共享目录必须是已创建文件系统的，而无需格式化、创建文件系统等，这即是SAN和NAS的区别
3. NFS本质是通过RPC调用实现的
4. 对于Linux而言，文件系统是在内核空间实现的，即文件系统比如ext3、ext4等是在Kernel启动时，以内核模块的身份加载运行的，当然了具体文件系统选择可以在编译和裁剪内核时修改。

什么是RPC

RPC：Remote Procedure Call Protocol，程序可以使用这个协议请求网络中另一台计算机上某程序的服务而不需知道网络细节，甚至可以请求对方的系统调用。基于C/S模型的！

RPC工作流程：

Client端仅需要发起RPC Call，同时传递必要参数；

Server端的守护进程一方面监听客户端的RPC Call，另一方面引领这些RPC Call来调用本地的程序或者系统服务来执行，这些程序在执行时还是用客户端传递来的参数。

NFS实现原理

对于客户端而言，直接使用mount挂载远程的NFS，然后像操作本地目录一样操作即可；

对于服务器，实现NFS有几个关键组件：

NFS quotas

用于实现磁盘配额的高级功能，当客户端挂载NFS后可以限制使用磁盘空间大小；

NFS mountd

NFS借助于RPC，仅支持基于IP的认证，因为这是一种远程过程的调用，而不是请求/响应服务，没有认证能力。那么如何实现认证呢？是通过辅助进程mountd来实现的，mountd负责发放令牌！多个mountd进程可以监听在不同的端口号上，前提这些端口号都事先在RPC统一调度管理器rpcbind中注册过，从而实现多个用户并发访问；

1. 客户端想要挂载NFS时，去问Server端的rpcbind；
2. rpcbind查询自己的注册表，选择一个已经注册的mountd进程和端口号；
3. .mountd完成对客户端的身份认证，发放令牌给客户端；
4. .客户端接着访问nfsd TCP/UDP 2049进行挂载后的正常操作

所以，mountd进进程其实是辅助进程，是为了增强nfsd完成用户身份认证的能力的!

NFS idmapd

用户挂载了远端的NFS，那么创建的文件的属主属组是谁呢？如果客户端A用用户名test创建了文件，而NFS Server上又没有test用户，那该咋办？

idmapd很好地解决了这个问题，是客户端和服务器端账号映射关系的解决工具。

NFS配置文件

NFS Server配置文件/etc/exports，只需要遵循格式，附加参数即可！这个文件可能不存在，创建即可。格式为：

文件系统 客户端1(选项) 客户端2（选项） ...

常用选项:

用户映射选项:

用户映射选项本质是通过idmapd这个辅助进程来实现的，还记得吗？

NFS实验

实验要求：

1.NFS服务器共享目录/mageedu给10.134.140.63/24访问；

2.以读写方式应用，要求异步；

3.客户端上存在，而服务器端不存在的用户，全部映射为服务器端的nfsuser用户；

实验步骤1.编辑NFS配置文件

useradd nfsuser
mkdir /mageedu && touch hello.txt
vi /etc/exports
/mageedu 10.134.140.63/24(rw,async,root_squash,anonuid=501,anongid=501)

实验步骤2.客户端查看并挂载NFS

showmount -e 10.134.140.63
mount -t nfs 10.134.140.63:/mageedu /mnt

实验步骤3.验证root权限

这是因为启用了root_squash后，root会被映射为NFS Server上的匿名用户来进行操作，而又附加了参数anonuid、anongid即指定了匿名用户的身份是UID=501 GID=501的nfsuser这个用户。

而该用户在/mageedu上是没有权限写入的，可以查看到！

那么不妨在NFS Server上的/mageedu目录下创建一个让nfsuser用户可读可写的目录，再来测试！

mkdir /mageedu/read_write
setfacl -m u:nfsuser:rwx /mageedu/read_write

此时再去服务器上看权限呢？

至此，已经搭建完毕！

补充说明

1. 实现开机自动挂载可以编辑/etc/fstab,挂载选项建议加上 _netdev 这样标识该挂载目录为网络设备，如果找不到暂时不挂载，而不会阻塞下去；
2. 挂载选项可以按照需求调节rsize和wsize，接收缓冲区、发送缓冲区大小，可改善性能；
3. 客户端常用命令showmount、mount
4. 服务器端常用命令rpcinfo、exports、exportfs[可以在不重启NFS服务的情况下重新导入导出共享目录]