本节书摘来华章计算机《Hadoop与大数据挖掘》一书中的第2章 ，第2.1.2节，张良均 樊 哲 位文超 刘名军 许国杰 周 龙 焦正升 著 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
2.1.2 Hadoop存储—HDFS
Hadoop的存储系统是HDFS（Hadoop Distributed File System）分布式文件系统，对外部客户端而言，HDFS就像一个传统的分级文件系统，可以进行创建、删除、移动或重命名文件或文件夹等操作，与Linux文件系统类似。
但是，Hadoop HDFS的架构是基于一组特定的节点构建的（见图2-2），这些节点包括名称节点（NameNode，仅一个），它在 HDFS 内部提供元数据服务；第二名称节点（Secondary NameNode），名称节点的帮助节点，主要是为了整合元数据操作（注意不是名称节点的备份）；数据节点（DataNode），它为HDFS提供存储块。由于仅有一个NameNode，因此这是HDFS的一个缺点（单点失败，在Hadoop2.X后有较大改善）。
存储在HDFS中的文件被分成块，然后这些块被复制到多个数据节点中（DataNode），这与传统的RAID架构大不相同。块的大小（通常为128MB）和复制的块数量在创建文件时由客户机决定。名称节点可以控制所有文件操作。HDFS内部的所有通信都基于标准的TCP/IP协议。
关于各个组件的具体描述如下所示：
（1）名称节点（NameNode）
它是一个通常在HDFS架构中单独机器上运行的组件，负责管理文件系统名称空间和控制外部客户机的访问。NameNode决定是否将文件映射到DataNode上的复制块上。对于最常见的3个复制块，第一个复制块存储在同一机架的不同节点上，最后一个复制块存储在不同机架的某个节点上。
（2）数据节点（DataNode）
数据节点也是一个通常在HDFS架构中的单独机器上运行的组件。Hadoop集群包含一个NameNode和大量DataNode。数据节点通常以机架的形式组织，机架通过一个交换机将所有系统连接起来。
数据节点响应来自HDFS客户机的读写请求。它们还响应来自NameNode的创建、删除和复制块的命令。名称节点依赖来自每个数据节点的定期心跳（heartbeat）消息。每条消息都包含一个块报告，名称节点可以根据这个报告验证块映射和其他文件系统元数据。如果数据节点不能发送心跳消息，名称节点将采取修复措施，重新复制在该节点上丢失的块。
（3）第二名称节点（Secondary NameNode）
第二名称节点的作用在于为HDFS中的名称节点提供一个Checkpoint，它只是名称节点的一个助手节点，这也是它在社区内被认为是Checkpoint Node的原因。
如图2-3所示，只有在NameNode重启时，edits才会合并到fsimage文件中，从而得到一个文件系统的最新快照。但是在生产环境集群中的NameNode是很少重启的，这意味着当NameNode运行很长时间后，edits文件会变得很大。而当NameNode宕机时，edits就会丢失很多改动，如何解决这个问题呢？
fsimage是Namenode启动时对整个文件系统的快照；edits是在Namenode启动后对文件系统的改动序列。
如图2-4所示，Secondary NameNode会定时到NameNode去获取名称节点的edits，并及时更新到自己fsimage上。这样，如果NameNode宕机，我们也可以使用Secondary-Namenode的信息来恢复NameNode。并且，如果SecondaryNameNode新的fsimage文件达到一定阈值，它就会将其拷贝回名称节点上，这样NameNode在下次重启时会使用这个新的fsimage文件，从而减少重启的时间。
举个数据上传的例子来深入理解下HDFS内部是怎么做的，如图2-5所示。
文件在客户端时会被分块，这里可以看到文件被分为5个块，分别是：A、B、C、D、E。同时为了负载均衡，所以每个节点有3个块。下面来看看具体步骤：
1）客户端将要上传的文件按128MB的大小分块。
2）客户端向名称节点发送写数据请求。
3）名称节点记录各个DataNode信息，并返回可用的DataNode列表。
4）客户端直接向DataNode发送分割后的文件块，发送过程以流式写入。
5）写入完成后，DataNode向NameNode发送消息，更新元数据。
这里需要注意：
1）写1T文件，需要3T的存储，3T的网络流量。
2）在执行读或写的过程中，NameNode和DataNode通过HeartBeat进行保存通信，确定DataNode活着。如果发现DataNode死掉了，就将死掉的DataNode上的数据，放到其他节点去，读取时，读其他节点。
3）宕掉一个节点没关系，还有其他节点可以备份；甚至，宕掉某一个机架也没关系；其他机架上也有备份。