Hadoop03-HDFS读写流程&NN和2NN

NiuMT 2020-06-03 20:58:30

Hadoop

HDFS数据流

HDFS写数据流程

剖析文件写入

客户端通过Distributed FileSystem模块向NameNode请求上传文件，NameNode检查目标文件是否已存在，父目录是否存在。
NameNode返回是否可以上传。
客户端请求第一个 Block上传到哪几个DataNode服务器上。
NameNode返回3个DataNode节点，分别为dn1、dn2、dn3。
客户端通过FSDataOutputStream模块请求dn1上传数据，dn1收到请求会继续调用dn2，然后dn2调用dn3，将这个通信管道建立完成。
dn1、dn2、dn3逐级应答客户端。
客户端开始往dn1上传第一个Block（先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存），以Packet为单位，dn1收到一个Packet就会传给dn2，dn2传给dn3；dn1每传一个packet会放入一个应答队列等待应答。
当一个Block传输完成之后，客户端再次请求NameNode上传第二个Block的服务器。（重复执行3-7步）

网络拓扑-节点距离计算

节点距离：两个节点到达最近的共同祖先的距离总和。

机架感知（副本存储节点选择）

HDFS读数据流程

客户端通过 Distributed FileSystem 向 NameNode 请求下载文件，NameNode 通过查询元数据，找到文件块所在的 DataNode地址。
挑选一台 DataNode（就近原则，然后随机）服务器，请求读取数据。
DataNode 开始传输数据给客户端（从磁盘里面读取数据输入流，以Packet为单位来做校验）。
客户端以 Packet 为单位接收，先在本地缓存，然后写入目标文件。

NN和2NN

NN和2NN工作机制

思考：NameNode中的元数据是存储在哪里的？

首先，我们做个假设，如果存储在NameNode节点的磁盘中，因为经常需要进行随机访问，还有响应客户请求，必然是效率过低。因此，元数据需要存放在内存中。但如果只存在内存中，一旦断电，元数据丢失，整个集群就无法工作了。==因此产生在磁盘中备份元数据的FsImage。==

这样又会带来新的问题，当在内存中的元数据更新时，如果同时更新FsImage，就会导致效率过低，但如果不更新，就会发生一致性问题，一旦NameNode节点断电，就会产生数据丢失。==因此，引入Edits文件(只进行追加操作，效率很高)。每当元数据有更新或者添加元数据时，修改内存中的元数据并追加到Edits中。==这样，一旦NameNode节点断电，可以通过FsImage和Edits的合并，合成元数据。

但是，如果长时间添加数据到Edits中，会导致该文件数据过大，效率降低，而且一旦断电，恢复元数据需要的时间过长。因此，需要定期进行FsImage和Edits的合并，如果这个操作由NameNode节点完成，又会效率过低。==因此，引入一个新的节点SecondaryNamenode，专门用于FsImage和Edits的合并。==

NN和2NN工作机制：

Fsimage和Edits解析

第一阶段：NameNode启动

（1）第一次启动NameNode格式化后，创建Fsimage和Edits文件。如果不是第一次启动，直接加载编辑日志和镜像文件到内存。

（2）客户端对元数据进行增删改的请求。

（3）NameNode记录操作日志，更新滚动日志。

（4）NameNode在内存中对数据进行增删改。
第二阶段：Secondary NameNode工作

（1）Secondary NameNode 询问 NameNode 是否需要 CheckPoint。直接带回 NameNode是否检查结果。

（2）Secondary NameNode 请求执行 CheckPoint。

（3）NameNode 滚动正在写的 Edits日志。

（4）将滚动前的编辑日志和镜像文件拷贝到 Secondary NameNode。

（5）Secondary NameNode 加载编辑日志和镜像文件到内存，并合并。

（6）生成新的镜像文件 fsimage.chkpoint。

（7）拷贝 fsimage.chkpoint 到 NameNode。

（8）NameNode将 fsimage.chkpoint 重新命名成 fsimage。

==NN和2NN工作机制详解==

Fsimage：NameNode内存中元数据序列化后形成的文件。HDFS文件系统元数据的一个永久性的检查点，其中包含HDFS文件系统的所有目录和文件inode的序列化信息。

Edits：记录客户端更新元数据信息的每一步操作（可通过Edits运算出元数据）。存放HDFS文件系统的所有更新操作的路径，文件系统客户端执行的所有写操作首先会被记录到Edits文件中。

seen_txid：文件保存的是一个数字，就是最后一个edits_的数字

每次NameNode启动的时候都会将Fsimage文件读入内存，加载Edits里面的更新操作，保证内存中的元数据信息是最新的、同步的，可以看成NameNode启动的时候就将Fsimage和Edits文件进行了合并。

NameNode启动时，先滚动Edits并生成一个空的edits.inprogress，然后加载Edits和Fsimage到内存中，此时NameNode内存就持有最新的元数据信息。Client开始对NameNode发送元数据的增删改的请求，这些请求的操作首先会被记录到edits.inprogress中（查询元数据的操作不会被记录在Edits中，因为查询操作不会更改元数据信息），如果此时NameNode挂掉，重启后会从Edits中读取元数据的信息。然后，NameNode会在内存中执行元数据的增删改的操作。

由于Edits中记录的操作会越来越多，Edits文件会越来越大，导致NameNode在启动加载Edits时会很慢，所以需要对Edits和Fsimage进行合并（所谓合并，就是将Edits和Fsimage加载到内存中，照着Edits中的操作一步步执行，最终形成新的Fsimage）。SecondaryNameNode的作用就是帮助NameNode进行Edits和Fsimage的合并工作。

SecondaryNameNode首先会询问NameNode是否需要CheckPoint（触发CheckPoint需要满足两个条件中的任意一个，定时时间到和Edits中数据写满了）。直接带回NameNode是否检查结果。SecondaryNameNode执行CheckPoint操作，首先会让NameNode滚动Edits并生成一个空的edits.inprogress，滚动Edits的目的是给Edits打个标记，以后所有新的操作都写入edits.inprogress，其他未合并的Edits和Fsimage会拷贝到SecondaryNameNode的本地，然后将拷贝的Edits和Fsimage加载到内存中进行合并，生成fsimage.chkpoint，然后将fsimage.chkpoint拷贝给NameNode，重命名为Fsimage后替换掉原来的Fsimage。NameNode在启动时就只需要加载之前未合并的Edits和Fsimage即可，因为合并过的Edits中的元数据信息已经被记录在Fsimage中。

oiv 查看 Fsimage文件

hdfs oiv -p 文件类型 -i镜像文件 -o 转换后文件输出路径

[atguigu@hadoop102 current]$ pwd
/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/current

[atguigu@hadoop102 current]$ hdfs oiv -p XML -i fsimage_0000000000000000025 -o /opt/module/hadoop-2.7.2/fsimage.xml

[atguigu@hadoop102 current]$ cat /opt/module/hadoop-2.7.2/fsimage.xml

# 将显示的xml文件内容拷贝到Eclipse中创建的xml文件中，并格式化。部分显示结果如下。
<inode>
    <id>16386</id>
    <type>DIRECTORY</type>
    <name>user</name>
    <mtime>1512722284477</mtime>
    <permission>atguigu:supergroup:rwxr-xr-x</permission>
    <nsquota>-1</nsquota>
    <dsquota>-1</dsquota>
</inode>
<inode>
    <id>16387</id>
    <type>DIRECTORY</type>
    <name>atguigu</name>
    <mtime>1512790549080</mtime>
    <permission>atguigu:supergroup:rwxr-xr-x</permission>
    <nsquota>-1</nsquota>
    <dsquota>-1</dsquota>
</inode>
<inode>
    <id>16389</id>
    <type>FILE</type>
    <name>wc.input</name>
    <replication>3</replication>
    <mtime>1512722322219</mtime>
    <atime>1512722321610</atime>
    <perferredBlockSize>134217728</perferredBlockSize>
    <permission>atguigu:supergroup:rw-r--r--</permission>
    <blocks>
        <block>
            <id>1073741825</id>
            <genstamp>1001</genstamp>
            <numBytes>59</numBytes>
        </block>
    </blocks>
</inode >

思考：可以看出，Fsimage中没有记录块所对应DataNode，为什么？

在集群启动后，要求DataNode上报数据块信息，并间隔一段时间后再次上报。

oev 查看Edits文件

hdfs oev -p 文件类型 -i编辑日志 -o 转换后文件输出路径

[atguigu@hadoop102 current]$ hdfs oev -p XML -i edits_0000000000000000012-0000000000000000013 -o /opt/module/hadoop-2.7.2/edits.xml

[atguigu@hadoop102 current]$ cat /opt/module/hadoop-2.7.2/edits.xml

# 将显示的xml文件内容拷贝到Eclipse中创建的xml文件中，并格式化。显示结果如下
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<EDITS>
    <EDITS_VERSION>-63</EDITS_VERSION>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_START_LOG_SEGMENT</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>129</TXID>
        </DATA>
    </RECORD>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_ADD</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>130</TXID>
            <LENGTH>0</LENGTH>
            <INODEID>16407</INODEID>
            <PATH>/hello7.txt</PATH>
            <REPLICATION>2</REPLICATION>
            <MTIME>1512943607866</MTIME>
            <ATIME>1512943607866</ATIME>
            <BLOCKSIZE>134217728</BLOCKSIZE>
            <CLIENT_NAME>DFSClient_NONMAPREDUCE_-1544295051_1</CLIENT_NAME>
            <CLIENT_MACHINE>192.168.1.5</CLIENT_MACHINE>
            <OVERWRITE>true</OVERWRITE>
            <PERMISSION_STATUS>
                <USERNAME>atguigu</USERNAME>
                <GROUPNAME>supergroup</GROUPNAME>
                <MODE>420</MODE>
            </PERMISSION_STATUS>
            <RPC_CLIENTID>908eafd4-9aec-4288-96f1-e8011d181561</RPC_CLIENTID>
            <RPC_CALLID>0</RPC_CALLID>
        </DATA>
    </RECORD>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_ALLOCATE_BLOCK_ID</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>131</TXID>
            <BLOCK_ID>1073741839</BLOCK_ID>
        </DATA>
    </RECORD>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_SET_GENSTAMP_V2</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>132</TXID>
            <GENSTAMPV2>1016</GENSTAMPV2>
        </DATA>
    </RECORD>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_ADD_BLOCK</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>133</TXID>
            <PATH>/hello7.txt</PATH>
            <BLOCK>
                <BLOCK_ID>1073741839</BLOCK_ID>
                <NUM_BYTES>0</NUM_BYTES>
                <GENSTAMP>1016</GENSTAMP>
            </BLOCK>
            <RPC_CLIENTID></RPC_CLIENTID>
            <RPC_CALLID>-2</RPC_CALLID>
        </DATA>
    </RECORD>
    <RECORD>
        <OPCODE>OP_CLOSE</OPCODE>
        <DATA>
            <TXID>134</TXID>
            <LENGTH>0</LENGTH>
            <INODEID>0</INODEID>
            <PATH>/hello7.txt</PATH>
            <REPLICATION>2</REPLICATION>
            <MTIME>1512943608761</MTIME>
            <ATIME>1512943607866</ATIME>
            <BLOCKSIZE>134217728</BLOCKSIZE>
            <CLIENT_NAME></CLIENT_NAME>
            <CLIENT_MACHINE></CLIENT_MACHINE>
            <OVERWRITE>false</OVERWRITE>
            <BLOCK>
                <BLOCK_ID>1073741839</BLOCK_ID>
                <NUM_BYTES>25</NUM_BYTES>
                <GENSTAMP>1016</GENSTAMP>
            </BLOCK>
            <PERMISSION_STATUS>
                <USERNAME>atguigu</USERNAME>
                <GROUPNAME>supergroup</GROUPNAME>
                <MODE>420</MODE>
            </PERMISSION_STATUS>
        </DATA>
    </RECORD>
</EDITS >

思考：NameNode如何确定下次开机启动的时候合并哪些Edits？

CheckPoint时间设置

通常情况下，SecondaryNameNode每隔一小时执行一次

[hdfs-default.xml]

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
  <value>3600</value>
</property>

一分钟检查一次操作次数，当操作次数达到1百万时，SecondaryNameNode执行一次。

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.txns</name>
  <value>1000000</value>
<description>操作动作次数</description>
</property>

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.check.period</name>
  <value>60</value>
<description> 1分钟检查一次操作次数</description>
</property >

NameNode故障处理

NameNode故障后，可以采用如下两种方法恢复数据。

方法一：将SecondaryNameNode中数据拷贝到NameNode存储数据的目录；

kill -9 NameNode进程
删除NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name）
拷贝SecondaryNameNode中数据到原NameNode存储数据目录

重新启动NameNode

[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/*

[atguigu@hadoop102 dfs]$ scp -r atguigu@hadoop104:/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/namesecondary/* ./name/

[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ sbin/hadoop-daemon.sh start namenode

方法二：使用-importCheckpoint选项启动NameNode守护进程，从而将SecondaryNameNode中数据拷贝到NameNode目录中

修改hdfs-site.xml中的

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
  <value>120</value>
</property>

<property>
  <name>dfs.namenode.name.dir</name>
  <value>/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name</value>
</property>

kill -9 NameNode进程

删除NameNode存储的数据（/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name）

[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ rm -rf /opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/name/*

如果SecondaryNameNode不和NameNode在一个主机节点上，需要将SecondaryNameNode存储数据的目录拷贝到NameNode存储数据的平级目录，并删除in_use.lock文件

[atguigu@hadoop102 dfs]$ scp -r atguigu@hadoop104:/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/namesecondary ./

[atguigu@hadoop102 namesecondary]$ rm -rf in_use.lock

[atguigu@hadoop102 dfs]$ pwd
/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs

[atguigu@hadoop102 dfs]$ ls
data  name  namesecondary

导入检查点数据（等待一会ctrl+c结束掉）

[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ bin/hdfs namenode -importCheckpoint

启动NameNode

[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ sbin/hadoop-daemon.sh start namenode

集群安全模式

集群处于安全模式，不能执行重要操作（写操作）。集群启动完成后，自动退出安全模式。

bin/hdfs dfsadmin -safemode get （功能描述：查看安全模式状态）
bin/hdfs dfsadmin -safemode enter （功能描述：进入安全模式状态）
bin/hdfs dfsadmin -safemode leave （功能描述：离开安全模式状态）
bin/hdfs dfsadmin -safemode wait （功能描述：等待安全模式状态）

NameNode多目录配置

NameNode的本地目录可以配置成多个，且每个目录存放内容相同，增加了可靠性

具体配置如下:

在hdfs-site.xml文件中增加如下内容

<property>
    <name>dfs.namenode.name.dir</name>
<value>file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name1,file:///${hadoop.tmp.dir}/dfs/name2</value>
</property>

停止集群，删除data和logs中所有数据
格式化集群并启动

查看结果

[atguigu@hadoop102 dfs]$ ll
总用量 12
drwx------. 3 atguigu atguigu 4096 12月 11 08:03 data
drwxrwxr-x. 3 atguigu atguigu 4096 12月 11 08:03 name1
drwxrwxr-x. 3 atguigu atguigu 4096 12月 11 08:03 name2

Hadoop02-HDFS概述、shell&客户端操作

Hadoop04-HDFS-DataNode