Hadoop分布式文件系统：架构 和设计要点
一、前提和设计目标
1、硬件错误是常态，而非异常情况，HDFS可能是有成百上千的server组成，任何一个组件都有可能一直失效，因此错误检测和快速、自动的恢复是HDFS的核心架构目标。
2、跑在HDFS上的应用与一般的应用不同，它们主要是以流式读为主，做批量处理；比之关注数据访问的低延迟问题，更关键的在于数据访问的高吞吐量。
3、HDFS以支持大数据集合为目标，一个存储在上面的典型文件大小一般都在千兆至T字节，一个单一HDFS实例应该能支撑数以千万计的文件。
4、HDFS应用对文件要求的是write-one-read-many访问模型。一个文 件经过创建、写，关闭之后就不需要改变。这一假设简化了数据一致性问 题，使高吞吐量的数据访问成为可能。典型的如MapReduce框架，或者一个web crawler应用都很适合这个模型。
5、移动计算的代价比之移动数据的代价低。一个应用请求的计算，离它操作的数据越近就越高效，这在数据达到海量级别的时候更是如此。将计算移动到数据附近，比之将数据移动到应用所在显然更好，HDFS提供给应用这样的接口。
6、在异构的软硬件平台间的可移植性。
二、Namenode和Datanode
HDFS采 用master/slave架构。一个HDFS集群是有一个Namenode和一定数目的Datanode组成。Namenode是一个中心服 务器，负责管理文件系统的namespace和客户端对文件的访问。Datanode在集群中一般是一个节点一个，负责管理节点上它们附带的存储。在内 部，一个文件其实分成一个或多个block，这些block存储在Datanode集合里。Namenode执行文件系统的namespace操作，例如 打开、关闭、重命名文件和目录，同时决定block到具体Datanode节点的映射。Datanode在Namenode的指挥下进行block的创 建、删除和复制。Namenode和Datanode都是设计成可以跑在普通的廉价的运行linux的机器上。HDFS采用java语言开发，因此可以部署在很大范围的机器上。一个典型的部署场景是一台机器跑一个单独的Namenode节点，集群中的其 他机器各跑一个Datanode实例。这个架构并不排除一台机器上跑多个Datanode，不过这比较少见。
单一节点的Namenode大大简化了系统的架构。Namenode负责保管和管理 所有的HDFS元数据，因而用户数据就不需要通过Namenode（也就是说文件数 据的读写是直接在Datanode上）。
三、文件系统的namespace
HDFS支持传统的层次型文件组织，与大多数其他文件系统类似，用户可以创建目录，并在其间创建、删除、移动和重命名文件。HDFS不支持user quotas和访问权限，也不支持链接（link)，不过当前的架构并不排除实现这些特性。Namenode维护文件系统的namespace，任何对文件系统namespace和文件属性的修改都将被Namenode记录下来。应用可以设置HDFS保存的文件的副本数目，文件副本的数目称为文件的 replication因子，这个信息也是由Namenode保存。
四、数据复制
HDFS被设计成在一个大集群中可以跨机器地可靠地存储海量的文件。它将每个文件存储成block序列，除了最后一个block，所有的block都是同样的大小。文件的所有block为了容错都会被复制。每个文件的block大小和replication因子都是可配置的。Replication因子可 以在文件创建的时候配置，以后也可以改变。HDFS中的文件是write-one，并且严格要求 在任何时候只有一个writer。Namenode全权管理block的复制，它周期性地从集群中的每个Datanode接收心跳包和一个Blockreport。心跳包的接收 表示该Datanode节点正常工作，而Blockreport包括了该Datanode上所有的block组成的列表。
1、副本的存放，副本的存放是HDFS可靠性和性能的关键。HDFS采用一种称为rack-aware的策略来改进数 据的可靠性、有效性和网络带宽的利用。这个策略实现的短期目标是验证在生产环境下的表现，观察它的行为，构建测试和研究的基础，以便实现更先进的策略。庞大的HDFS实例一般运行在多个机架的计算机形成的集群上，不同机架间的两台机器的通讯需要通过交换机，显然通常情况下，同一个机架内的两个节点间的带宽会比不同机架间的两台机器的带宽 大。
通过一个称为Rack Awareness的过程，Namenode决定了每个Datanode所属的rack id。 一个简单但没有优化的策略就是将副本存放在单独的机架上。这样可以防止整个机架（非副本存放）失效的情况，并且允许读数据的时候可以从多个机架读取。这个简单策略设置可以将副本分布在集群中，有利于组件失败情况下的负载均衡。但是，这个简单策略加大了写的代价，因为一个写操作需要传输block到多个机架。
在大多数情况下，replication因子是3，HDFS的存放策略是将一 个副本存放在本地机架上的节点，一个副本放在同一机架上的另一个节点，最后一 个副本放在不同机架上的一个节点。机架的错误远远比节点的错误少，这个策略不会影响到数据的可靠性和有效性。三分之一的副本在一个节点上，三分之二在一个机架上，其他保存在剩下的机架中，这一策略改进了写的性能。
2、副本的选择，为了降低整体的带宽消耗和读延时，HDFS会尽量让reader读最近的副本。 如果在reader的同一个机架上有一个副本，那么就读该副本。如果一个HDFS集群跨越多个数 据中心，那么reader也将首先尝试读本地数据中心的副本。
3、SafeMode
Namenode启动后会进入一个称为SafeMode的特殊状态，处在这个状态的Namenode是不会进行数据块的复制的。Namenode从所有的 Datanode接收心跳包和Blockreport。Blockreport包括了某个Datanode所有的数据块列 表。每个block都有指定的最小数目的副本。当Namenode检测确认某个Datanode的数据块副本的最小数目，那么该Datanode就会被认为是安全的；如果一定百分比（这 个参数可配置）的数据块检测确认是安全的，那么Namenode将退出SafeMode状态，接下来它 会确定还有哪些数据块的副本没有达到指定数目，并将这些block复制到其他Datanode。
五、文件系统元数据的持久化
Namenode存储HDFS的元数据。对于任何对文件元数据产生修改的操作，Namenode都使用一个称为Editlog的事务日志记录下来。例如， 在HDFS中创建一个文件，Namenode就会在Editlog中插入一条记录 来表示；同样，修改文件的replication因子也将往 Editlog插入一条记录。Namenode在本地OS的文件系统中存 储这个Editlog。整个文件系统的namespace，包括block到文件 的映射、文件的属性，都存储在称为FsImage的文件中，这个文件也是放在Namenode所在系统的文件 系统上。
Namenode在内存中保存着整个文件系统namespace和文件Blockmap的映像。这个关 键的元数据设计得很紧凑，因而一个带有4G内存的 Namenode足够支撑海量的文件和目录。当Namenode启动时，它从硬盘中读取Editlog和FsImage，将所有Editlog中的事务作用（apply)在内存中的FsImage ，并将这个新版本的FsImage从内存中flush到硬盘上,然后再truncate这个旧的Editlog，因为这个旧的Editlog的事务都已经作用在FsImage上了。这个过程称为checkpoint。在当前实现中，checkpoint只发生在Namenode启动时，在不久的将来我们将实现支持周期性的checkpoint。
Datanode并不知道关于文件的任何东西，除了将文件中的数据保存在本地的文件系统上。它把每个HDFS数据块存储在本地文件系统上隔离的文件中。 Datanode并不在同一个目录创建所有的文件，相反，它用启发式地方法来确定每个目录的最佳文件数目，并且在适当的时候创建子目录。在同一个目录创建所有的文件不是最优的选择，因为本地文件系统可能无法高效地在单一目录中支持大量的文件。当一个Datanode启动时，它扫描本地文件系统，对这些本地文件产生相应的一个所有HDFS数据块的列表，然后发送报告到Namenode，这个报告就是Blockreport。
六、通讯协议
所有的HDFS通讯协议都是构建在TCP/IP协议上。客户端通 过一个可配置的端口连接到Namenode，通过ClientProtocol与Namenode交互。而Datanode是使用DatanodeProtocol与Namenode交互。从ClientProtocol和Datanodeprotocol抽象出一个远程调用(RPC），在设计上，Namenode不会主动发起RPC，而是是响应来自客户端和 Datanode 的RPC请求。
