大数据离线阶段Day9之HDFS元数据管理机制

　　1. 元数据管理概述

　　HDFS元数据，按类型分，主要包括以下几个部分：

　　1、文件、目录自身的属性信息，例如文件名，目录名，修改信息等。

　　2、文件记录的信息的存储相关的信息，例如存储块信息，分块情况，副本个数等。

　　3、记录HDFS的Datanode的信息，用于DataNode的管理。

　　按形式分为内存元数据和元数据文件两种，分别存在内存和磁盘上。

　　HDFS磁盘上元数据文件分为两类，用于持久化存储：

　　fsimage 镜像文件：是元数据的一个持久化的检查点，包含Hadoop文件系统中的所有目录和文件元数据信息，但不包含文件块位置的信息。文件块位置信息只存储在内存中，是在 datanode加入集群的时候，namenode询问datanode得到的，并且间断的更新。

　　Edits 编辑日志：存放的是Hadoop文件系统的所有更改操作(文件创建，删除或修改)的日志，文件系统客户端执行的更改操作首先会被记录到edits文件中。

　　fsimage和edits文件都是经过序列化的，在NameNode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，也是最完整的元数据。

　　当客户端对HDFS中的文件进行新增或者修改操作，操作记录首先被记入edits日志文件中，当客户端操作成功后，相应的元数据会更新到内存元数据中。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的十分缓慢。

　　HDFS这种设计实现着手于：一是内存中数据更新、查询快，极大缩短了操作响应时间;二是内存中元数据丢失风险颇高(断电等)，因此辅佐元数据镜像文件(fsimage)+编辑日志文件(edits)的备份机制进行确保元数据的安全。

　　NameNode维护整个文件系统元数据。因此，元数据的准确管理，影响着HDFS提供文件存储服务的能力。

　　2. 元数据目录相关文件

　　在Hadoop的HDFS首次部署好配置文件之后，并不能马上启动使用，而是先要对文件系统进行格式化。需要在NameNode(NN)节点上进行如下的操作：

　　$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode –format

　　在这里要注意两个概念，一个是文件系统，此时的文件系统在物理上还不存在;二就是此处的格式化并不是指传统意义上的本地磁盘格式化，而是一些清除与准备工作。

　　格式化完成之后，将会在$dfs.namenode.name.dir/current目录下创建如下的文件结构，这个目录也正是namenode元数据相关的文件目录：

　　其中的dfs.namenode.name.dir是在hdfs-site.xml文件中配置的，默认值如下：

　　dfs.namenode.name.dir属性可以配置多个目录，各个目录存储的文件结构和内容都完全一样，相当于备份，这样做的好处是当其中一个目录损坏了，也不会影响到Hadoop的元数据，特别是当其中一个目录是NFS(网络文件系统Network File System，NFS)之上，即使你这台机器损坏了，元数据也得到保存。

　　下面对$dfs.namenode.name.dir/current/目录下的文件进行解释。

　　VERSION

　　namespaceID=934548976

　　clusterID=CID-cdff7d73-93cd-4783-9399-0a22e6dce196

　　cTime=0

　　storageType=NAME_NODE

　　blockpoolID=BP-893790215-192.168.24.72-1383809616115

　　layoutVersion=-47

　　namespaceID/clusterID/blockpoolID 这些都是HDFS集群的唯一标识符。标识符被用来防止DataNodes意外注册到另一个集群中的namenode上。这些标识在联邦(federation)部署中特别重要。联邦模式下，会有多个NameNode独立工作。每个的NameNode提供唯一的命名空间(namespaceID)，并管理一组唯一的文件块池(blockpoolID)。clusterID将整个集群结合在一起作为单个逻辑单元，在集群中的所有节点上都是一样的。

　　storageType说明这个文件存储的是什么进程的数据结构信息(如果是DataNode，storageType=DATA_NODE);

　　cTime NameNode存储系统创建时间，首次格式化文件系统这个属性是0，当文件系统升级之后，该值会更新到升级之后的时间戳;

　　layoutVersion表示HDFS永久性数据结构的版本信息，是一个负整数。

　　补充说明：

　　格式化集群的时候，可以指定集群的cluster_id，但是不能与环境中其他集群有冲突。如果没有提供cluster_id，则会自动生成一个唯一的ClusterID。

　　$HADOOP_HOME/bin/hdfs namenode -format -clusterId

　　seen_txid

　　$dfs.namenode.name.dir/current/seen_txid非常重要，是存放transactionId的文件，format之后是0，它代表的是namenode里面的edits_*文件的尾数，namenode重启的时候，会按照seen_txid的数字，循序从头跑edits_0000001~到seen_txid的数字。所以当你的hdfs发生异常重启的时候，一定要比对seen_txid内的数字是不是你edits最后的尾数。

　　Fsimage & edits

　　$dfs.namenode.name.dir/current目录下在format的同时也会生成fsimage和edits文件，及其对应的md5校验文件。

　　3. secondary namenode

　　NameNode职责是管理元数据信息，DataNode的职责是负责数据具体存储，那么SecondaryNameNode的作用是什么?对很多初学者来说是非常迷惑的。它为什么会出现在HDFS中。从它的名字上看，它给人的感觉就像是NameNode的备份。但它实际上却不是。

　　大家猜想一下，当HDFS集群运行一段事件后，就会出现下面一些问题：

　　l edit logs文件会变的很大，怎么去管理这个文件是一个挑战。

　　l NameNode重启会花费很长时间，因为有很多改动要合并到fsimage文件上。

　　l 如果NameNode挂掉了，那就丢失了一些改动。因为此时的fsimage文件非常旧。

　　因此为了克服这个问题，我们需要一个易于管理的机制来帮助我们减小edit logs文件的大小和得到一个最新的fsimage文件，这样也会减小在NameNode上的压力。这跟Windows的恢复点是非常像的，Windows的恢复点机制允许我们对OS进行快照，这样当系统发生问题时，我们能够回滚到最新的一次恢复点上。

　　SecondaryNameNode就是来帮助解决上述问题的，它的职责是合并NameNode的edit logs到fsimage文件中。

　　4. Checkpoint

　　每达到触发条件，会由secondary namenode将namenode上积累的所有edits和一个最新的fsimage下载到本地，并加载到内存进行merge(这个过程称为checkpoint)，如下图所示：

　　4.1. Checkpoint详细步骤

　　l NameNode管理着元数据信息，其中有两类持久化元数据文件：edits操作日志文件和fsimage元数据镜像文件。新的操作日志不会立即与fsimage进行合并，也不会刷到NameNode的内存中，而是会先写到edits中(因为合并需要消耗大量的资源)，操作成功之后更新至内存。

　　l 有dfs.namenode.checkpoint.period和dfs.namenode.checkpoint.txns 两个配置，只要达到这两个条件任何一个，secondarynamenode就会执行checkpoint的操作。

　　l 当触发checkpoint操作时，NameNode会生成一个新的edits即上图中的edits.new文件，同时SecondaryNameNode会将edits文件和fsimage复制到本地(HTTP GET方式)。

　　l 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保存最新，这个过程就是edits和fsimage文件合并，生成一个新的fsimage文件即上图中的Fsimage.ckpt文件。

　　l secondarynamenode将新生成的Fsimage.ckpt文件复制到NameNode节点。

　　l 在NameNode节点的edits.new文件和Fsimage.ckpt文件会替换掉原来的edits文件和fsimage文件，至此刚好是一个轮回，即在NameNode中又是edits和fsimage文件。

　　l 等待下一次checkpoint触发SecondaryNameNode进行工作，一直这样循环操作。

　　4.2. Checkpoint触发条件

　　Checkpoint操作受两个参数控制，可以通过core-site.xml进行配置：

　　dfs.namenode.checkpoint.period

　　3600

　　两次连续的checkpoint之间的时间间隔。默认1小时

　　dfs.namenode.checkpoint.txns

　　1000000

　　最大的没有执行checkpoint事务的数量，满足将强制执行紧急checkpoint，即使尚未达到检查点周期。默认设置为100万。

　　从上面的描述我们可以看出，SecondaryNamenode根本就不是Namenode的一个热备，其只是将fsimage和edits合并。其拥有的fsimage不是最新的，因为在他从NameNode下载fsimage和edits文件时候，新的更新操作已经写到edit.new文件中去了。而这些更新在SecondaryNamenode是没有同步到的!当然，如果NameNode中的fsimage真的出问题了，还是可以用SecondaryNamenode中的fsimage替换一下NameNode上的fsimage，虽然已经不是最新的fsimage，但是我们可以将损失减小到最少!

作者 ：黑马程序员大数据培训学院
首发：http://cloud.itheima.com