Hadoop大数据架构及关键组件

hadoop大数据架构及关键组件

• 1. Hadoop生态系统
  
  • 1.1 架构
    
• 大数据生态的主要组件及其关系
  
  • 大数据生态
  • 大数据架构
    
    • 1. HDFS（Hadoop分布式文件系统）：
    • 2. MapReduce(分布式计算框架)：
    • 3. HBase(分布式列存数据库)：
    • 4. ZooKeeper（分布式协作服务）:
    • 5. Hive/Impala（基于Hadoop的数据仓库）：
    • 6. Pig(ad-hoc脚本)：
    • 7. Sqoop(数据同步工具)：
    • 8. Flume(日志收集工具)：
    • 9. Mahout(数据挖掘算法库)：
    • 10. YARN/Mesos（分布式资源管理器）：
    • 11. Tachyon(超光速粒子)：
    • 12. Spark(分布式计算框架)：
    • 13. Kafka(分布式消息队列)：
    • 14. Flink(分布式计算框架)：
    • 15. Oozie（工作流调度器）：
    • 16. Apache Phoenix:
    • 17. Apache Ambari：
    • 18. Apache Kylin:
      

1. Hadoop生态系统1.1 架构

架构是一个系统的基础组织结构，包括系统的组件构成、组件之间的相互关系、系统和其所在环境的关系，以及指导系统设计和演化的相关准则

系统架构设计的目标主要包括：可靠性、安全性、可伸缩性、可扩展性、可维护性等。

研究大数据的技术架构，需要明确三个基本的观点：

• 对于大数据部署和应用来说，技术总是具体的，抽象讨论技术没有太多意义。
• 研究架构，需要理解各种不同架构的共同点，以便揭示大数据系统设计的内在规律和演化趋势，从而指明正确的系统建设方向。
• 大数据系统的最高抽象模式实际上就是大数据的基本系统架构，对这个顶层架构进行初次分解，就得到数据采集、数据存储、数据分析和数据应用四个方面，因此，技术架构也需要相应地从这四个方面描述。
  

大数据生态的主要组件及其关系大数据生态

大数据架构

关键组件及作用如下：

1. HDFS（Hadoop分布式文件系统）：

HDFS是整个hadoop体系的基础，负责数据的存储与管理。HDFS有着高容错性（fault-tolerant）的特点，并且设计用来部署在低廉的（low-cost）硬件上。而且它提供高吞吐量（high throughput）来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集（large data set）的应用程序。

Client：切分文件，访问HDFS，与NameNode交互，获取文件位置信息，与DataNode交互，读取和写入数据。
NameNode：master节点，在hadoop1.x中只有一个，管理HDFS的名称空间和数据块映射信息，配置副本策略，处理客户端请求。
DataNode：slave节点，存储实际的数据，汇报存储信息给NameNode。
Secondary NameNode：辅助NameNode，分担其工作量：定期合并fsimage和fsedits，推送给NameNode；紧急情况下和辅助恢复NameNode，但其并非NameNode的热备。

2. MapReduce(分布式计算框架)：

MapReduce是一种计算模型，用于处理大数据量的计算。其中Map对应数据集上的独立元素进行指定的操作，生成键-值对形式中间，Reduce则对中间结果中相同的键的所有值进行规约，以得到最终结果。

Jobtracker：master节点，只有一个，管理所有作业，任务/作业的监控，错误处理等，将任务分解成一系列任务，并分派给Tasktracker。
Tacktracker：slave节点，运行 Map task和Reduce task；并与Jobtracker交互，汇报任务状态。
Map task：解析每条数据记录，传递给用户编写的map()函数并执行，将输出结果写入到本地磁盘（如果为map—only作业，则直接写入HDFS）。
Reduce task：从Map 它深刻地执行结果中，远程读取输入数据，对数据进行排序，将数据分组传递给用户编写的Reduce()函数执行。

3. HBase(分布式列存数据库)：

HBase是一个建立在HDFS之上，面向列的针对结构化数据的可伸缩、高可靠、高性能、分布式和面向列的动态模式数据库。
HBase采用了BigTable的数据模型：增强的稀疏排序映射表（Key/Value），其中，键由行关键字、列关键字和时间戳构成。
HBase提供了对大规模数据的随机、实时读写访问，同时，HBase中保存的数据可以使用MapReduce来处理，它将数据存储和并行计算完美地结合在一起。

4. ZooKeeper（分布式协作服务）:

ZooKeeper主要目标是解决分布式环境下的数据管理问题：统一命名，状态同步，集群管理，配置同步等。
Hadoop的许多组件依赖于Zookeeper，它运行在计算机集群上面，用于管理Hadoop操作。

5. Hive/Impala（基于Hadoop的数据仓库）：

Hive定义了一种类似SQL的查询语言(HQL),将SQL转化为MapReduce任务在Hadoop上执行。通常用于离线分析。
HQL用于运行存储在Hadoop上的查询语句，Hive让不熟悉MapReduce开发人员也能编写数据查询语句，然后这些语句被翻译为Hadoop上面的MapReduce任务。

Impala是用于处理存储在Hadoop集群中的大量数据的MPP（大规模并行处理）SQL查询引擎。 它是一个用C ++和Java编写的开源软件。 与Apache Hive不同，Impala不基于MapReduce算法。 它实现了一个基于守护进程的分布式架构，它负责在同一台机器上运行的查询执行的所有方面。因此执行效率高于Apache Hive。

6. Pig(ad-hoc脚本)：

由yahoo开源，设计动机是提供一种基于MapReduce的ad-hoc（计算在query时发生）数据分析工具。
Pig定义了一种数据流语言——Pig Latin，他是MapReduce编程的复杂性的抽象，Pig平台包括运行环境和用于分析Hadoop数据集的脚本语言（Pig-Latin）。其编译器将Pig Latin翻译成MapReduce程序设计，将脚本转换为MapReduce任务在Hadoop上执行，通常用于进行离线分析。

7. Sqoop(数据同步工具)：

是SQL-to-Hadoop的缩写，主要用于传统数据库和Hadoop之前传输数据。数据的导入和导出本质上是Mapreduce程序，充分利用了MR的并行化和容错性。
Sqoop利用数据库技术描述数据架构，用于在关系数据库、数据仓库和Hadoop之间转移数据。

8. Flume(日志收集工具)：

Flume是一个可扩展、适合复杂环境的海量日志收集系统。它将数据从产生、传输、处理并最终写入目标的路径的过程抽象为数据流，在具体的数据流中，数据源支持在Flume中定制数据发送方，从而支持收集各种不同协议数据。
同时，Flume数据流提供对日志数据进行简单处理的能力，如过滤、格式转换等。此外，Flume还具有能够将日志写往各种数据目标（可定制）的能力。总的来说，Flume是一个可扩展、适合复杂环境的海量日志收集系统。
Flume以Agent为最小的独立运行单位，一个Agent就是一个JVM。单个Agent由Source、Sink和Channel三大组件构成：

Source：从客户端收集数据，并传递给Channel。
Channel：缓存区，将Source传输的数据暂时存放。
Sink：从Channel收集数据，并写入到指定地址。
Event：日志文件、avro对象等源文件。

9. Mahout(数据挖掘算法库)：

Mahout的主要目标是创建一些可扩展的机器学习领域经典算法的实现。已经包含了聚类、分类、推荐引擎（协同过滤）和频繁项集等数据挖掘算法。除了算法，Mahout还包含数据的输入/输出工具，与其他存储系统（如数据库、MongoDB等）集成的数据挖掘支持架构。

10. YARN/Mesos（分布式资源管理器）：

YARN是下一代MapReduce，即MRv2，是在第一代MapReduce基础上演变而来的，主要是为了解决原始Hadoop扩展性较差，不支持多计算框架而提出的。

Mesos诞生于UC Berkeley的一个研究项目，现已成为Apache项目，当前有一些公司使用Mesos管理集群资源，比如Twitter。与yarn类似，Mesos是一个资源统一管理和调度的平台，同样支持比如MR、steaming等多种运算框架。

11. Tachyon(超光速粒子)：

是以内存为中心的分布式文件系统，拥有高性能和容错能力，能够为集群框架（Spark、MapReduce）提供可靠的内存级速度的文件共享服务。

12. Spark(分布式计算框架)：

Spark是一种基于内存的分布式并行计算框架，不同于MapReduce的是——Job中间输出结果可以保存在内存中，从而不再需要读写HDFS，因此Spark能更好地适用于数据挖掘与机器学习等需要迭代的MapReduce的算法。

• Cluster Manager：在standalone模式中即为Master主节点，控制整个集群，监控worker。在YARN模式中为资源管理器
• Worker节点：从节点，负责控制计算节点，启动Executor或者Driver。
• Driver： 运行Application 的main()函数
• Executor：执行器，是为某个Application运行在worker node上的一个进程
  

Spark将数据抽象为RDD（弹性分布式数据集），内部提供了大量的库，包括Spark Core、Spark SQL、Spark Streaming、MLlib、GraphX。 开发者可以在同一个应用程序中无缝组合使用这些库。

• Spark Core：包含Spark的基本功能；尤其是定义RDD的API、操作以及这两者上的动作。其他Spark的库都是构建在RDD和Spark Core之上的
• Spark SQL：提供通过Apache Hive的SQL变体Hive查询语言（HiveQL）与Spark进行交互的API。每个数据库表被当做一个RDD，Spark SQL查询被转换为Spark操作。
• Spark Streaming：对实时数据流进行处理和控制。Spark Streaming允许程序能够像普通RDD一样处理实时数据，通过短时批处理实现的伪流处理。
• MLlib：一个常用机器学习算法库，算法被实现为对RDD的Spark操作。这个库包含可扩展的学习算法，比如分类、回归等需要对大量数据集进行迭代的操作。
• GraphX：控制图、并行图操作和计算的一组算法和工具的集合。GraphX扩展了RDD API，包含控制图、创建子图、访问路径上所有顶点的操作。
  

13. Kafka(分布式消息队列)：

Kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，它可以处理消费者规模的网站中的所有动作流数据。实现了主题、分区及其队列模式以及生产者、消费者架构模式。

生产者组件和消费者组件均可以连接到KafKa集群，而KafKa被认为是组件通信之间所使用的一种消息中间件。**KafKa内部分为很多Topic（一种高度抽象的数据结构），每个Topic又被分为很多分区（partition），每个分区中的数据按队列模式进行编号存储。被编号的日志数据称为此日志数据块在队列中的偏移量（offest），偏移量越大的数据块越新，即越靠近当前时间。**生产环境中的最佳实践架构是Flume+KafKa+Spark Streaming。

14. Flink(分布式计算框架)：

Flink是一个基于内存的分布式并行处理框架，类似于Spark，但在部分设计思想有较大出入。对 Flink 而言，其所要处理的主要场景就是流数据，批数据只是流数据的一个极限特例而已。
Flink VS Spark

• Spark中，RDD在运行时是表现为Java Object，而Flink主要表现为logical plan。所以在Flink中使用的类Dataframe api是被作为第一优先级来优化的。但是相对来说在spark RDD中就没有了这块的优化了。
• Spark中，对于批处理有RDD，对于流式有DStream，不过内部实际还是RDD抽象；在Flink中，对于批处理有DataSet，对于流式我们有DataStreams，但是是同一个公用的引擎之上两个独立的抽象，并且Spark是伪流处理，而Flink是真流处理。
  

15. Oozie（工作流调度器）：

Oozie是一个可扩展的工作体系，集成于Hadoop的堆栈，用于协调多个MapReduce作业的执行。它能够管理一个复杂的系统，基于外部事件来执行，外部事件包括数据的定时和数据的出现。
Oozie工作流是放置在控制依赖DAG（有向无环图 Direct Acyclic Graph）中的一组动作（例如，Hadoop的Map/Reduce作业、Pig作业等），其中指定了动作执行的顺序。
Oozie使用hPDL（一种XML流程定义语言）来描述这个图。

16. Apache Phoenix:

是HBase的SQL驱动（HBase 的SQL接口），Phoenix使用HBase支持通过JDBC的方式进行访问，并将SQL查询转换成HBase的扫描和相应的动作。

17. Apache Ambari：

是安装部署配置管理工具，其作用就是创建、管理、监视Hadoop的集群，是为了让Hadoop以及相关的大数据软件更容易使用一个Web工具。

18. Apache Kylin:

Apache Kylin™是一个开源的、分布式的分析型数据仓库，提供Hadoop/Spark 之上的 SQL 查询接口及多维分析（OLAP）能力以支持超大规模数据，最初由 eBay 开发并贡献至开源社区。它能在亚秒内查询巨大的表。
Apache Kylin™ 令使用者仅需三步，即可实现超大数据集上的亚秒级查询。

• 定义数据集上的一个星形或雪花形模型
• 在定义的数据表上构建cube
• 使用标准 SQL 通过 ODBC、JDBC 或 RESTFUL API 进行查询，仅需亚秒级响应时间即可获得查询结果
  Kylin 提供与多种数据可视化工具的整合能力，如 Tableau，PowerBI 等，令用户可以使用 BI 工具对 Hadoop 数据进行分析。
  
  

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