08 - HDFS的数据流、NameNode和SecondaryNameNode、Fsimage和Edits解析、CheckPoint时间设置、NameNode故障处理

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分类专栏： # hadoop3.x 文章标签： hadoop

于 2022-05-29 16:08:20 首次发布

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本文详细介绍了HDFS的数据流过程，包括写入和读取流程，并深入探讨了NameNode和SecondaryNameNode的工作机制，Fsimage与Edits文件的解析方法，以及集群的安全模式配置和故障处理方案。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

二、NameNode和SecondaryNameNode

1、NameNode中的元数据是存储在哪里的？

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

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

一、HDFS的数据流

1、HDFS写数据流程

1.1、剖析文件写入

1）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。
2）NameNode返回是否可以上传。
3）客户端请求第一个 Block上传到哪几个DataNode服务器上。
4）NameNode返回3个DataNode节点，分别为dn1、dn2、dn3。
5）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。
6）dn1、dn2、dn3逐级应答客户端。
7）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。
8）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）。

1.2、网络拓扑-节点距离计算

在HDFS写数据的过程中，NameNode会选择距离待上传数据最近距离的DataNode接收数据。那么这个最近距离怎么计算呢？

节点距离：两个节点到达最近的共同祖先的距离总和。

例如，假设有数据中心d1机架r1中的节点n1。该节点可以表示为/d1/r1/n1。利用这种标记，这里给出四种距离描述，如上图：

大家算一算每两个节点之间的距离，如图所示。

1.3、副本存储节点选择

2、HDFS读数据流程

1）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。
2）挑选一台DataNode（就近原则，然后随机）服务器，请求读取数据。
3）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）。
4）客户端以Packet为单位接收，先在本地缓存，然后写入目标文件。

二、NameNode和SecondaryNameNode

1、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。

2、NameNode的工作机制

1. 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。

2、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。

3、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。
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）。

        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。

三、Fsimage和Edits解析

1、Fsimage和Edits概念

2、oiv查看Fsimage文件

（1）查看oiv和oev命令

（2）基本语法

hdfs oiv -p 文件类型 -i镜像文件 -o 转换后文件输出路径

（3）案例实操

[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。

3、oev查看Edits文件

（1）基本语法

hdfs oev -p 文件类型 -i编辑日志 -o 转换后文件输出路径

（2）案例实操

[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？

四、CheckPoint时间设置

（1）通常情况下，SecondaryNameNode每隔一小时执行一次。

修改 [hdfs-default.xml]文件：
<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
  <value>3600</value>
</property>
（2）一分钟检查一次操作次数，3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 >

五、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）
[atguigu@hadoop102 hadoop-2.7.2]$ rm -rf /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
[atguigu@hadoop102 dfs]$ scp -r atguigu@hadoop104:/opt/module/hadoop-2.7.2/data/tmp/dfs/namesecondary/* ./name/