10分鐘零基礎就可搞懂的Hadoop架構原理阿里架構師詳解

我今天花了大半個下午的時間，寫了這篇hadoop的架構，全篇都是以大白話的形式，也算是為后面更加具體的每一部分開了個好頭吧，假如喜歡請點轉發(fā)和關注，假如有疑問，直接在評論里說出來，大家一起解決，才能進步。

Hadoop誕生于2006年，是一款支持數據密集型分布式應用并以Apache2.0許可協(xié)議發(fā)布的開源軟件框架。它支持在商品硬件構建的大型集群上運行的應用程序。Hadoop是根據Google公司發(fā)表的MapReduce和Google檔案系統(tǒng)的論文自行實作而成。

Hadoop與Google一樣，都是小孩命名的，是一個虛構的名字，沒有尤其的含義。從計算機專業(yè)的角度看，Hadoop是一個分布式系統(tǒng)基礎架構，由Apache基金會開發(fā)。Hadoop的主要目標是對分布式環(huán)境下的“大數據”以一種可靠、高效、可伸縮的方式處理。

Hadoop框架透明地為應用提供可靠性和數據移動。它實現了名為MapReduce的編程范式：應用程序被分割成許多小部分，而每個部分都能在集群中的任意節(jié)點上執(zhí)行或重新執(zhí)行。

Hadoop還提供了分布式文件系統(tǒng)，用以存儲所有計算節(jié)點的數據，這為整個集群帶來了非常高的帶寬。MapReduce和分布式文件系統(tǒng)的設計，使得整個框架能夠自動處理節(jié)點故障。它使應用程序與成千上萬的獨立計算的電腦和PB級的數據。

1.Hadoop的核心組件

分析：Hadoop的核心組件分為：HDFS（分布式文件系統(tǒng)）、MapRuduce（分布式運算編程框架）、YARN（運算資源調度系統(tǒng)）

2.HDFS的文件系統(tǒng)

HDFS

1.定義

整個Hadoop的體系結構主要是通過HDFS（Hadoop分布式文件系統(tǒng)）來實現對分布式存儲的底層支持，并通過MR來實現對分布式并行任務處理的程序支持。

HDFS是Hadoop體系中數據存儲治理的基礎。它是一個高度容錯的系統(tǒng)，能檢測和應對硬件故障，用于在低成本的通用硬件上運行。HDFS簡化了文件的一致性模型，通過流式數據訪問，提供高吞吐量應用程序數據訪問功能，適合帶有大型數據集的應用程序。

2.組成

HDFS采用主從（Master/Slave）結構模型，一個HDFS集群是由一個NameNode和若干個DataNode組成的。NameNode作為主服務器，治理文件系統(tǒng)命名空間和客戶端對文件的訪問操作。DataNode治理存儲的數據。HDFS支持文件形式的數據。

從內部來看，文件被分成若干個數據塊，這若干個數據塊存放在一組DataNode上。NameNode執(zhí)行文件系統(tǒng)的命名空間，如打開、關閉、重命名文件或目錄等，也負責數據塊到具體DataNode的映射。DataNode負責處理文件系統(tǒng)客戶端的文件讀寫，并在NameNode的統(tǒng)一調度下進行數據庫的創(chuàng)建、刪除和復制工作。NameNode是所有HDFS元數據的治理者，用戶數據永遠不會經過NameNode。

分析：NameNode是治理者，DataNode是文件存儲者、Client是需要獲取分布式文件系統(tǒng)的應用程序。

MapReduce

1.定義

HadoopMapReduce是googleMapReduce克隆版。

MapReduce是一種計算模型，用以進行大數據量的計算。其中Map對數據集上的獨立元素進行指定的操作，生成鍵-值對形式中間結果。Reduce則對中間結果中相同“鍵”的所有“值”進行規(guī)約，以得到很終結果。MapReduce這樣的功能劃分，非常適合在大量計算機組成的分布式并行環(huán)境里進行數據處理。

2.組成

分析：

（1）JobTracker

JobTracker叫作業(yè)跟蹤器，運行到主節(jié)點（Namenode）上的一個很重要的進程，是MapReduce體系的調度器。用于處理作業(yè)（用戶提交的代碼）的后臺程序，決定有哪些文件參與作業(yè)的處理，然后把作業(yè)切割成為一個個的小task，并把它們分配到所需要的數據所在的子節(jié)點。

Hadoop的原則就是就近運行，數據和程序要在同一個物理節(jié)點里，數據在哪里，程序就跑去哪里運行。這個工作是JobTracker做的，監(jiān)控task，還會重啟失敗的task（于不同的節(jié)點），每個集群只有優(yōu)選一個JobTracker，類似單點的NameNode，位于Master節(jié)點

（2）TaskTracker

TaskTracker叫任務跟蹤器，MapReduce體系的很后一個后臺進程，位于每個slave節(jié)點上，與datanode結合（代碼與數據一起的原則），治理各自節(jié)點上的task（由jobtracker分配），

每個節(jié)點只有一個tasktracker，但一個tasktracker可以啟動多個JVM，運行MapTask和ReduceTask；并與JobTracker交互，匯報任務狀態(tài)，

MapTask：解析每條數據記錄，傳遞給用戶編寫的map(),并執(zhí)行，將輸出結果寫入本地磁盤(假如為map-only作業(yè)，直接寫入HDFS)。

ReducerTask：從MapTask的執(zhí)行結果中，遠程讀取輸入數據，對數據進行排序，將數據按照分組傳遞給用戶編寫的reduce函數執(zhí)行。

Hive

1.定義

Hive是基于Hadoop的一個數據倉庫工具，可以將結構化的數據文件映射為一張數據庫表，并提供完整的sql查詢功能，可以將sql語句轉換為MapReduce任務進行運行。

Hive是建立在Hadoop上的數據倉庫基礎構架。它提供了一系列的工具，可以用來進行數據提取轉化加載（ETL），這是一種可以存儲、查詢和分析存儲在Hadoop中的大規(guī)模數據的機制。

Hive定義了簡單的類SQL查詢語言，稱為HQL，它答應熟悉SQL的用戶查詢數據。同時，這個語言也答應熟悉MapReduce開發(fā)者的開發(fā)自定義的mapper和reducer來處理內建的mapper和reducer無法完成的復雜的分析工作。

2.組成

分析：Hive架構包括：CLI（CommandLineInterface）、JDBC/ODBC、ThriftServer、WEBGUI、Metastore和Driver(Complier、Optimizer和Executor)，這些組件分為兩大類：服務端組件和客戶端組件

3.客戶端與服務端組件

（1）客戶端組件：

CLI：CommandLineInterface，命令行接口。

Thrift客戶端：上面的架構圖里沒有寫上Thrift客戶端，但是Hive架構的許多客戶端接口是建立在Thrift客戶端之上，包括JDBC和ODBC接口。

WEBGUI：Hive客戶端提供了一種通過網頁的方式訪問Hive所提供的服務。這個接口對應Hive的HWI組件（HiveWebInterface），使用前要啟動HWI服務。

（2）服務端組件：

Driver組件：該組件包括Complier、Optimizer和Executor，它的作用是將HiveQL（類SQL）語句進行解析、編譯優(yōu)化，生成執(zhí)行計劃，然后調用底層的MapReduce計算框架

Metastore組件：元數據服務組件，這個組件存儲Hive的元數據，Hive的元數據存儲在關系數據庫里，Hive支持的關系數據庫有Derby和Mysql。元數據對于Hive十分重要，因此Hive支持把Metastore服務獨立出來，安裝到遠程的服務器集群里，從而解耦Hive服務和Metastore服務，保證Hive運行的健壯性；

Thrift服務：Thrift是Facebook開發(fā)的一個軟件框架，它用來進行可擴展且跨語言的服務的開發(fā)，Hive集成了該服務，能讓不同的編程語言調用Hive的接口。

4.Hive與傳統(tǒng)數據庫的異同

（1）查詢語言

由于SQL被廣泛的應用在數據倉庫中，因此專門針對Hive的特性設計了類SQL的查詢語言HQL。熟悉SQL開發(fā)的開發(fā)者可以很方便的使用Hive進行開發(fā)。

（2）數據存儲位置

Hive是建立在Hadoop之上的，所有Hive的數據都是存儲在HDFS中的。而數據庫則可以將數據保存在塊設備或者本地文件系統(tǒng)中。

（3）數據格式

Hive中沒有定義專門的數據格式，數據格式可以由用戶指定，用戶定義數據格式需要指定三個屬性：列分隔符（通常為空格、””、”\\x001′）、行分隔符（”

”）以及讀取文件數據的方法（Hive中默認有三個文件格式TextFile，SequenceFile以及RCFile）。

（4）數據更新

由于Hive是針對數據倉庫應用設計的，而數據倉庫的內容是讀多寫少的。因此，Hive中不支持

對數據的改寫和添加，所有的數據都是在加載的時候中確定好的。而數據庫中的數據通常是需要經常進行修改的，因此可以使用INSERTINTO…VALUES添加數據，使用UPDATE…SET修改數據。

（5）索引

Hive在加載數據的過程中不會對數據進行任何處理，甚至不會對數據進行掃描，因此也沒有對數據中的某些Key建立索引。Hive要訪問數據中滿足條件的特定值時，需要暴力掃描整個數據，因此訪問延遲較高。由于MapReduce的引入，Hive可以并行訪問數據，因此即使沒有索引，對于大數據量的訪問，Hive仍然可以體現出優(yōu)勢。數據庫中，通常會針對一個或者幾個列建立索引，因此對于少量的特定條件的數據的訪問，數據庫可以有很高的效率，較低的延遲。由于數據的訪問延遲較高，決定了Hive不適合在線數據查詢。

（6）執(zhí)行

Hive中大多數查詢的執(zhí)行是通過Hadoop提供的MapReduce來實現的（類似select*fromtbl的查詢不需要MapReduce）。而數據庫通常有自己的執(zhí)行引擎。

（7）執(zhí)行延遲

Hive在查詢數據的時候，由于沒有索引，需要掃描整個表，因此延遲較高。另外一個導致Hive執(zhí)行延遲高的因素是MapReduce框架。由于MapReduce本身具有較高的延遲，因此在利用MapReduce執(zhí)行Hive查詢時，也會有較高的延遲。相對的，數據庫的執(zhí)行延遲較低。當然，這個低是有條件的，即數據規(guī)模較小，當數據規(guī)模大到超過數據庫的處理能力的時候，Hive的并行計算顯然能體現出優(yōu)勢。

（8）可擴展性

由于Hive是建立在Hadoop之上的，因此Hive的可擴展性是和Hadoop的可擴展性是一致的（世界上很大的Hadoop集群在Yahoo!，2009年的規(guī)模在4000臺節(jié)點左右）。而數據庫由于ACID語義的嚴格限制，擴展行非常有限。目前很先進的并行數據庫Oracle在理論上的擴展能力也只有100臺左右。

（9）數據規(guī)模

由于Hive建立在集群上并可以利用MapReduce進行并行計算，因此可以支持很大規(guī)模的數據；對應的，數據庫可以支持的數據規(guī)模較小。

Hbase

1.定義

HBase–HadoopDatabase，是一個高可靠性、高性能、面向列、可伸縮的分布式存儲系統(tǒng)，利用HBase技術可在廉價PCServer上搭建起大規(guī)模結構化存儲集群。

HBase是GoogleBigtable的開源實現，類似GoogleBigtable利用GFS作為其文件存儲系統(tǒng)，HBase利用HadoopHDFS作為其文件存儲系統(tǒng)；

Google運行MapReduce來處理Bigtable中的海量數據，HBase同樣利用HadoopMapReduce來處理HBase中的海量數據；

GoogleBigtable利用Chubby作為協(xié)同服務，HBase利用Zookeeper作為協(xié)同服務。

2.組成

分析：從上圖可以看出：Hbase主要由Client、Zookeeper、HMaster和HRegionServer組成，由Hstore作存儲系統(tǒng)。

HBaseClient使用HBase的RPC機制與HMaster和HRegionServer進行通信，對于治理類操作，Client與HMaster進行RPC；對于數據讀寫類操作，Client與HRegionServer進行RPC

ZookeeperQuorum中除了存儲了-ROOT-表的地址和HMaster的地址，HRegionServer也會把自己以Ephemeral方式注冊到Zookeeper中，使得HMaster可以隨時感知到各個HRegionServer的健康狀態(tài)。

HMaster沒有單點問題，HBase中可以啟動多個HMaster，通過Zookeeper的MasterElection機制保證總有一個Master運行，HMaster在功能上主要負責Table和Region的治理工作：

HStore存儲是HBase存儲的核心了，其中由兩部分組成，一部分是MemStore，一部分是StoreFiles。

MemStore是SortedMemoryBuffer，用戶寫入的數據首先會放入MemStore，當MemStore滿了以后會Flush成一個StoreFile（底層實現是HFile），當StoreFile文件數量增長到一定閾值，會觸發(fā)Compact合并操作，將多個StoreFiles合并成一個StoreFile，合并過程中會進行版本合并和數據刪除。

因此可以看出HBase其實只有增加數據，所有的更新和刪除操作都是在后續(xù)的compact過程中進行的，這使得用戶的寫操作只要進入內存中就可以立即返回，保證了HBaseI/O的高性能。

當StoreFilesCompact后，會逐步形成越來越大的StoreFile，當單個StoreFile大小超過一定閾值后，會觸發(fā)Split操作，同時把當前RegionSplit成2個Region，父Region會下線，新Split出的2個孩子Region會被HMaster分配到相應的HRegionServer上，使得原先1個Region的壓力得以分流到2個Region上。

1.回顧Hadoop的整體架構

2.Hadoop的應用——流量查詢系統(tǒng)

（1）流量查詢系統(tǒng)總體框架

（2）流量查詢系統(tǒng)總體流程

（3）流量查詢系統(tǒng)數據預處理功能框架

（4）流量查詢系統(tǒng)數據預處理流程

（5）流量查詢NoSQL數據庫功能框架

（6）流量查詢服務功能框架

（7）實時流計算數據處理流程圖

本人才疏學淺，若有錯，請指出，謝謝！假如你有更好的建議，可以留言我們一起討論，共同進步！衷心的感謝您能耐心的讀完本文！