零、学习目标

1. 了解HDFS存储架构
2. 理解HDFS文件读写原理

一、导入新课

• 通过上次课的学习，学生对HDFS有了一定的认识，如果想要更好地使用HDFS，就必须学习HDFS的架构和读写数据的原理。本次课将针对HDFS的架构和原理进行详细讲解。

二、新课讲解

（一）HDFS存储架构

• HDFS是一个分布式的文件系统，相比普通的文件系统来说更加复杂，因此在学习HDFS的操作之前有必要先来学习一下HDFS的存储架构。

• HDFS采用了主从（Master/Slave）结构模型，一个HDFS集群包括一个名称节点（NameNode）和若干个数据节点（DataNode）（如下图所示）。名称节点作为中心服务器，负责管理文件系统的命名空间及客户端对文件的访问。集群中的数据节点一般是一个节点运行一个数据节点进程，负责处理文件系统客户端的读/写请求，在名称节点的统一调度下进行数据块的创建、删除和复制等操作。每个数据节点的数据实际上是保存在本地Linux文件系统中的。
  

• 详情参看官网：https://hadoop.apache.org/docs/stable/hadoop-project-dist/hadoop-hdfs/HdfsDesign.html
  

• 在名称节点启动的时候，它会将fsimage文件中的内容加载到内存中，之后再执行edits文件中的各项操作，使得内存中的元数据和实际的同步，存在内存中的元数据支持客户端的读操作。

• 一旦在内存中成功建立文件系统元数据的映射，则创建一个新的fsimage文件和一个空的edits文件。

• 名称节点起来之后，HDFS中的更新操作会重新写到edits文件中，因为fsimage文件一般都很大（GB级别的很常见），如果所有的更新操作都往fsimage文件中添加，这样会导致系统运行得十分缓慢，但是，如果往edits文件里面写就不会这样，因为edits要小很多。每次执行写操作之后，且在向客户端发送成功代码之前，edits文件都需要同步更新。

• SecondaryNameNode会定期和NameNode通信，请求其停止使用edits文件，暂时将新的写操作写到一个新的文件edits.new上来，这个操作是瞬间完成，上层写日志的函数完全感觉不到差别。

• SecondaryNameNode通过HTTP GET方式从NameNode上获取到fsimage和edits文件，并下载到本地的相应目录下。

• SecondaryNameNode将下载下来的fsimage载入到内存，然后一条一条地执行edits文件中的各项更新操作，使得内存中的fsimage保持最新；这个过程就是edits和fsimage文件合并。

• SecondaryNameNode执行完上一步操作之后，会通过post方式将新的fsimage文件发送到NameNode节点上。

• NameNode将从SecondaryNameNode接收到的新fsimage替换旧fsimage文件，同时将edits.new替换edits文件，通过这个过程edits就变小了。

• 在HDFS的设计中，并不支持把系统直接切换到辅助名称节点，从这个角度来讲，辅助名称节点只是起到了名称节点的“检查点”作用，并不能起到“热备份”作用。

（二）HDFS文件读写原理

1、HDFS写数据原理

• Client从HDFS中存储数据，即为Write（写）数据。
  
  （1）客户端发起文件上传请求，通过RPC（远程过程调用）与NameNode建立通讯
  （2）NameNode检查元数据文件的系统目录树
  （3）若系统目录树的父目录不存在该文件相关信息，返回客户端可以上传文件
  （4）客户端请求上传第一个Block数据块以及数据块副本的数量
  （5）NameNode检测元数据文件中DataNode信息池，找到可用的数据节点
  （6）NameNode检查元数据文件的系统目录树
  （7）若系统目录树的父目录不存在该文件相关信息，返回客户端可以上传文件
  （8）DataNode之间建立Pipeline后，逐个返回建立完毕信息
  （9）客户端与DataNode建立数据传输流，开始发送数据包
  （10）客户端向DataNode_01上传第一个Block数据块，当DataNode_01收到一个Packet就会传给DataNode_02，DataNode_02传给DataNode_03，DataNode_01每传送一个Packet都会放入一个应答队列等待应答。
  （11）数据被分割成一个个Packet数据包在Pipeline上依次传输，而在Pipeline反方向上，将逐个发送Ack，最终由Pipeline中第一个DataNode节点DataNode_01将Pipeline的 Ack信息发送给客户端。
  （12）DataNode返回给客户端，第一个Block块传输完成。客户端则会再次请求NameNode上传第二个Block块和第三块到服务器上，重复上面的步骤，直到3个Block都上传完毕。

2、HDFS读数据原理

• 从HDFS中查找数据，即为Read（读）数据。
  
  （1）客户端向NameNode发起RPC请求，来获取请求文件Block数据块所在的位置。
  （2）NameNode检测元数据文件，会视情况返回Block块信息或者全部Block块信息，对于每个Block块，NameNode都会返回含有该Block副本的DataNode地址。
  （3）客户端会选取排序靠前的DataNode来依次读取Block块，每一个Block都会进行CheckSum若文件不完整，则客户端会继续向NameNode获取下一批的Block列表，直到验证读取出来文件是完整的，则Block读取完毕。
  （4）客户端会把最终读取出来所有的Block块合并成一个完整的最终文件（例如：1.txt）。

三、归纳总结

• 回顾本节课所讲的内容，并通过提问的方式引导学生解答问题并给予指导。
  第二课时

四、上机操作

• 形式：单独完成
• 题目：理解HDFS架构和读写原理
• 要求：观看尚硅谷大数据视频中关于HDFS架构和读写原理的内容。