分布式存储与HDFS

素颜马尾好姑娘i 2021-09-27 13:32 384阅读 0赞

### 大数据学习一 ###

*  什么是大数据
 *   *  简述
     *  大数据技术
     *   *  分布式计算
         *  机器学习
         *  分布式存储
     *  HDFS
     *   *  HDFS上传文件
         *  备份机制
         *  client向DataNode写数据
         *  client向datanode读数据
         *  持久化的详细过程
         *  再来简单说说心跳机制
         *  当集群启动时
         *   *  安全模式
         *  HDFS集群注意事项
     *  鸣谢

# 什么是大数据 #

## 简述 ##

短时间内 **快速的** 产生 **海量的** **多种多样的** **有价值的** 数据。  
提取出 大数据的四个特性(4个V):

1.  Volumes 海量的数据
2.  Variety 数据类别
3.  Velocity 处理速度
4.  Veracity 数据真实性

## 大数据技术 ##

### 分布式计算 ###

1.  分布式批处理  
    攒一段时间的数据，然后再未来某个时间来处理这批数据
2.  分布式流处理  
    数据不需要攒，直接处理，没产生一条数据，立马对数据进行处理，将结果生成报表给老板。  
    例如天猫双十一大屏幕 qq实时在线分析统计。

### 机器学习 ###

人工智能只是愿想，机器学习是实现人工智能的技术支持。
    深度学习是机器学习的一部分

### 分布式存储 ###

先举个简单的例子来引入分布式存储的概念  
假设我有10PB的电影需要分布式存储，按类型存储在5个同学的电脑上，假如我在某天需要查看某种类型的电影，我该如何去查看我所需要的电影呢？  
我们可以一个一个的去找 但是这样的效率实在是太低了，所以有人就想了一个办法，找一个“**班长**”，“**班长**”这里记录着 每位同学电脑里分别存放着什么类型的电影，然后“**班长**”根据我的需求把特定同学的id‘**标识**’发给我，我直接根据id‘**标识**’有目的的去查询。  
通过上面的方法只经过了一次io，效率明显提高。

这里我要提出一些在分布式存储上的概念

*  存储单元：一个存储单元的数据，不能拆分为两部分来存储 也成为**block** 在这里指每一部的电影
 *  元数据： 描述数据的数据(不理解的可以参照元学习(描述学习方法的学习))
    
     *  在这里元数据代表的是 包括 权限、上传时间、存储位置标识BlockId‘标识’、大文件的block数
 *  备份：保证了数据的安全。
 *  班长：管理元数据(索引) 称为**NameNode**
 *  同学：负责存储数据 称为**DataNode**

## HDFS ##

### HDFS上传文件 ###

1.  如果要上传一个大文件，计算大文件的block数量，文件大小/128M=block数量
2.  client向namenode汇报
    
     *  当前大文件的block数量
     *  当前大文件属于谁 也就是权限
     *  上传的时间
     *  拥有者

`for(Block block:blocks){`

1.  client切割出来一个block
2.  请求block块的id以及存放block的地址（默认两个副本）
3.  由于namenode能够掌控全局，管理所有的DN，所以他会将负载不高的DN地址返回给client
4.  client拿到地址后，找到DN去上传数据（详细流程在后面会涉及）
5.  DN将block存储完毕后，会向NN汇报当前的存储情况

`}`

![HDFS图解][HDFS]

NameNode以及DataNode的左右

*  NameNode：
    
     *  掌控全局，管理DN以及元数据
     *  元数据存在内存中
     *  接受客户端的读写服务
     *  收集DataNode汇报的Block列表信息
     *  NameNode保存的metadata信息包括
        
         *  文件ownership和permissions
         *  文件大小 时间
         *  Block副本的位置（由DataNode上报）以及BlockId
     *  接受client的读请求，返回地址
 *  DataNode
    
     *  存储block块 向NN汇报 发送心跳(运行状态)
     *  接受client的读请求

### 备份机制 ###

集群外提交

*  第一个block存储在负载不是很高的一台服务器上
 *  第一个备份的block存储在与第一个block不同的机架随机一条服务器上
 *  第二个备份在与第一个备份相同的机架随机一台服务器上

集群内提交

*  第一个位置是当前节点
 *  第二个第三个同上  
    ![机架][70]

### client向DataNode写数据 ###

![写数据][70 1]  
前面过程见HDFS上传文件

*  client从NN得到了block信息包括Id等
 *  通过id查询到该把这些block存储到哪些datanode中
 *  再把block切割成一个个packet(64k)
 *  并在客户端和DN间建立了管道，源源不断的传输packet

为什么要用管道来传输？  
为什么要将block切割成一个个packet？  
原因：并行存储，增加效率

### client向datanode读数据 ###

![读取数据][70 2]

### 持久化的详细过程 ###

再来说说NameNode元数据，他是在内存中保存的

*  NameNode元数据：
    
     *  文件ownership
     *  permission
     *  文件大小
     *  上传时间
     *  Block列表
     *  Block以及副本的位置

题外话  
角色在集群中都是用进程来表现的，为什么node01服务器为NamdNode节点呢？  
因为在node01节点上启动了一个NameNode进程。

内存是不稳定的，为了防止NameNode出现异常所以采用持久化的方法。  
那为什么不备份NameNode呢？  
因为首先备份和还原是一件低效的事情，因为他有两次IO和通信；而且NN是掌控全局的，它的崩溃必然导致整个集群的崩溃。  
当然持久化也是一个十分繁琐的过程，而所以根据这个问题HDFS给出了一下解决方法：  
![持久化的过程][70 3]  
给NameNode一个助手**SecondaryNameNode**,它专门用来用于数据持久化。  
下面来详细谈谈持久化过程：

1.  首先NN会创建两个空文件
    
     *  edits ：NameNode已经启动情况下对HDFS进行的各种更新操作进行记录
     *  fsimage ： 用于保存元数据，保存了最新的元数据检查点，包含了整个HDFS文件系统的所有目录和文件的信息。对于文件来说包括了数据块描述信息、修改时间、访问时间等；对于目录来说包括修改时间、访问权限控制信息(目录所属用户，所在组)等。
    
    简单来想，NameNode维护了文件与数据块的映射表以及数据块与数据节点的映射表，什么意思呢？就是一个文件，它切分成了几个数据块，以及这些数据块分别存储在哪些datanode上，namenode一清二楚。Fsimage就是在某一时刻，整个hdfs 的快照，就是这个时刻hdfs上所有的文件块和目录，分别的状态，位于哪些个datanode，各自的权限，各自的副本个数。然后客户端对hdfs所有的更新操作，比如说移动数据，或者删除数据，都会记录在editlog中。
2.  把hdfs的数据更新操作写入一个新的文件——edits.new(这也就导致了 数据不可能是最新的)
3.  如果需要持久化(需要合并)SecondaryNamenode助理就会把两个文件读取过来（通过http协议）
4.  将读取过来的edits文件进行“彩排”，获取元数据（相当于备份了namenode）和fsimage文件合并形成一个新的文件——fsimage.ckpt。
5.  再把fismage.ckpt通过http协议发送给namenode。
6.  重命名fsimage.ckpt为fsimage，edits.new为edits。

合并触发机制：  
\- 超过3600s  
\- 如果edits文件超过64M

注意点：  
\- 并不是所有的元数据都会持久化，除了block位置信息，其他的元数据都会持久化。  
\- 但是这样的话，当HDFS集群重启，NN中的元数据就会有所缺失，导致集群无法对外提供服务。所以当集群启动之时，所有的DN都会向NN汇报当前节点的block信息

### 再来简单说说心跳机制 ###

一旦有datanode挂掉了（宕机或者是网络阻塞），namenode能很快感知到，并且将宕机的节点上的数据块转移至其余空闲节点。这点是因为hdfs中心跳机制（heartbeat）。  
心跳机制默认3s中一次，datanode会向namenode发送一次一跳，告知namenode当前节点上存放的数据文件是什么。如果namenode中记录的是该datanode存放了文件A的两个数据块和文件B的一个数据块，但是心跳中只有文件A的一个数据块信息，namenode就会知道该datanode数据块损坏了，会把损坏的数据块在别的datanode上补充。

### 当集群启动时 ###

DN会向NN发送一些信息（Block信息、DN地址、DN心跳信息）

#### 安全模式 ####

*  加载fsimage，加载到内存中
 *  如果edits文件不为空，那么nameNode自己来合并
 *  检查DN的健康情况
 *  如果有DN挂掉了，指挥做备份

注意：处于安全模式的过程中是不能读取文件的，只能看到目录结构

### HDFS集群注意事项 ###

HDFS集群不允许修改、文件一旦上传成功不能修改block块大小，但是可以通过\*\*\*append\*\*\*进行追加，禁掉的功能就是为了防止集群泛洪。

## 鸣谢 ##

张富刚老师的指导

如有不足请指正。

[HDFS]: /images/20210923/eb01c7e59d494ac4b0198995e81b9145.png
[70]: /images/20210923/2d7198287cfb4a27bebf828fa00433aa.png
[70 1]: /images/20210923/b6d88f8f0b92424c9271bd1d72ee6460.png
[70 2]: /images/20210923/896bf1b9b5e643369f480e0043dea6e9.png
[70 3]: /images/20210923/00af1daffb614d99941594aa6bcd5dad.png