HDFS应用场景、原理、基本架构

一、HDFS是什么

源自于Google的GFS论文

发表于2003年10月

HDFS是GFS克隆版 

Hadoop Distributed File System

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、HDFS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

2、HDFS缺点

低延迟数据访问

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

3、HDFS设计思想

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4、HDFS数据块（block）

文件被切分成固定大小的数据块

默认数据块大小为64MB，可配置

若文件大小不到64MB，则单独存成一个block

为何数据块如此之大 

数据传输时间超过寻道时间（高吞吐率）

一个文件存储方式

按大小被切分成若干个block，存储到不同节点上

默认情况下每个block有三个副本

5、HDFS写流程

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6、HDFS读流程

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7、HDFS典型物理拓扑

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8、HDFS副本放置策略

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9、HDFS可靠性策略

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10、HDFS不适合存储小文件

元信息存储在NameNode内存中

一个节点的内存是有限的

存取大量小文件消耗大量的寻道时间

类比拷贝大量小文件与拷贝同等大小的一个大文件

NameNode存储block数目是有限的

一个block元信息消耗大约150 byte内存

存储1亿个block，大约需要20GB内存

如果一个文件大小为10K，则1亿个文件大小仅为1TB（但要消耗掉NameNode 20GB内存）

二、HDFS访问方式

HDFS Shell命令

HDFS Java API

HDFS REST API

HDFS Fuse：实现了fuse协议

HDFS lib hdfs：C/C++访问接口

HDFS 其他语言编程API

使用thrift实现 ** 支持C++、Python、php、C#等语言

HDFS Shell命令—概览

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将本地文件上传到HDFS上

bin/hadoop fs -copyFromLocal /local/data /hdfs/data

删除文件/目录

bin/hadoop fs -rmr /hdfs/data

创建目录

bin/hadoop fs -mkdir /hdfs/data

HDFS Shell命令—管理脚本

bin/hadoop dfsadmin

在sbin目录下

 start-all.sh

 start-dfs.sh

 start-yarn.sh

 hadoop-deamon(s).sh

单独启动某个服务

 hadoop-deamon.sh start namenode

 hadoop-deamons.sh start namenode（通过SSH登录到各个节点）

HDFS Shell命令—文件管理命令fsck

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检查hdfs中文件的健康状况

查找缺失的块以及过少或过多副本的块

查看一个文件的所有数据块位置

删除损坏的数据块

HDFS Shell命令—数据均衡器balancer

数据块重分布

bin/start-balancer.sh -threshold 

percentage of disk capacity

HDFS达到平衡状态的磁盘使用率偏差值

值越低各节点越平衡，但消耗时间也更长

HDFS Shell命令—设置目录份额

限制一个目录最多使用磁盘空间

bin/hadoop dfsadmin -setSpaceQuota 1t /user/username

限制一个目录包含的最多子目录和文件数目

bin/hadoop dfsadmin -setQuota 10000 /user/username

HDFS Shell命令—增加/移除节点

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三、HDFS Java API介绍

Configuration类：该类的对象封装了配置信息，这些配置信息来自core-.xml；

FileSystem类：文件系统类，可使用该类的方法对文件/目录进行操作。一般通过FileSystem的静态方法 get获得一个文件系统对象；

FSDataInputStream和FSDataOutputStream类：HDFS中的输入输出流。分别通过FileSystem的open方法和create方法获得。 以上类均来自java包：org.apache.hadoop.fs

HDFS Java程序举例

将本地文件拷贝到HDFS上

Configuration config = new Configuration();

FileSystem hdfs = FileSystem.get(config);

Path srcPath = new Path(srcFile);

Path dstPath = new Path(dstFile);

hdfs.copyFromLocalFile(srcPath, dstPath);

创建HDFS文件；

//byte[] buff – 文件内容

Configuration config = new Configuration();

FileSystem hdfs = FileSystem.get(config);

Path path = new Path(fileName);

FSDataOutputStream outputStream = hdfs.create(path);

outputStream.write(buff, 0, buff.length);

四、Hadoop 2.0新特性

NameNode HA

NameNode Federation

HDFS 快照（snapshot）

HDFS 缓存（in-memory cache）

HDFS ACL

异构层级存储结构（Heterogeneous Storage hierarchy）

1、HA与Federation

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2、异构层级存储结构—背景

HDFS将所有存储介质抽象成性能相同的Disk

dfs.datanode.data.dir

/dir0,/dir1,/dir2,/dir3

存储介质种类繁多，一个集群中存在多种异构介质

 磁盘、SSD、RAM等

多种类型的任务企图同时运行在同一个Hadoop集群中

批处理，交互式处理，实时处理

不同性能要求的数据，最好存储在不同类别的存储介质上

3、异构层级存储结构—原理

dfs.datanode.data.dir

[disk]/dir0,[disk]/dir1,[ssd]/dir2,[ssd]/dir3

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4、异构层级存储结构—原理

HDFS仅提供了一种异构存储结构，并不知道存储介质的性能；

HDFS为用户提供了API，以控制目录/文件写到什么介质上；

HDFS为管理员提供了管理工具，可限制每个用户对每种介质的可使用份额；

目前完成度不高

阶段1：DataNode支持异构存储介质（HDFS-2832，完成）

阶段2：为用户提供访问API（HDFS-5682，未完成）

五、HDFS ACL—基于POSIX ACL的实现

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六、HDFS快照—背景

HDFS上文件和目录是不断变化的，快照可以帮助用户保存某个时刻的数据；

HDFS快照的作用

防止用户误操作删除数据

数据备份

HDFS快照—基本使用方法

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七、HDFS缓存

HDFS自身不提供数据缓存功能，而是使用OS缓存容易内存浪费，eg.一个block三个副本同时被缓存

多种计算框架共存，均将HDFS作为共享存储系统

MapReduce：离线计算，充分利用磁盘

Impala：低延迟计算，充分利用内存

Spark：内存计算框架

HDFS应让多种混合计算类型共存一个集群中

合理的使用内存、磁盘等资源

比如，高频访问的特点文件应被尽可能长期缓存，防止置换到磁盘上

HDFS缓存—原理

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HDFS缓存—实现情况

用户需通过命令显式的将一个目录或文件加入/移除缓存

不支持块级别的缓存

不支持自动化缓存

可设置缓存失效时间

缓存目录：仅对一级文件进行缓存

不会递归缓存所有文件与目录

以pool的形式组织缓存资源

借助YARN的资源管理方式，将缓存划分到不同pool中

每个pool有类linux权限管理机制、缓存上限、失效时间等

独立管理内存，未与资源管理系统YARN集成

用户可为每个DN设置缓存大小，该值独立于YARN

作者：大数据首席数据师
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