Hadoop架構(gòu)原理怎么理解

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一、概念

Hadoop誕生于2006年，是一款支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型分布式應(yīng)用并以Apache 2.0許可協(xié)議發(fā)布的開源軟件框架。它支持在商品硬件構(gòu)建的大型集群上運行的應(yīng)用程序。Hadoop是根據(jù)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(gòu)的名字，沒有特別的含義。從計算機專業(yè)的角度看，Hadoop是一個分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，由Apache基金會開發(fā)。Hadoop的主要目標(biāo)是對分布式環(huán)境下的“大數(shù)據(jù)”以一種可靠、高效、可伸縮的方式處理。

Hadoop框架透明地為應(yīng)用提供可靠性和數(shù)據(jù)移動。它實現(xiàn)了名為MapReduce的編程范式：應(yīng)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(shù)據(jù)，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(shè)計，使得整個框架能夠自動處理節(jié)點故障。它使應(yīng)用程序與成千上萬的獨立計算的電腦和PB級的數(shù)據(jù)。

二、組成

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(diào)度系統(tǒng))

2.HDFS的文件系統(tǒng)

HDFS

1.定義

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

HDFS是Hadoop體系中數(shù)據(jù)存儲管理的基礎(chǔ)。它是一個高度容錯的系統(tǒng)，能檢測和應(yīng)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(shù)據(jù)訪問，提供高吞吐量應(yīng)用程序數(shù)據(jù)訪問功能，適合帶有大型數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。

2.組成

HDFS采用主從(Master/Slave)結(jié)構(gòu)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(wù)器，管理文件系統(tǒng)命名空間和客戶端對文件的訪問操作。DataNode管理存儲的數(shù)據(jù)。HDFS支持文件形式的數(shù)據(jù)。

從內(nèi)部來看，文件被分成若干個數(shù)據(jù)塊，這若干個數(shù)據(jù)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(guān)閉、重命名文件或目錄等，也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)塊到具體DataNode的映射。DataNode負(fù)責(zé)處理文件系統(tǒng)客戶端的文件讀寫，并在NameNode的統(tǒng)一調(diào)度下進行數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、刪除和復(fù)制工作。NameNode是所有HDFS元數(shù)據(jù)的管理者，用戶數(shù)據(jù)永遠不會經(jīng)過NameNode。

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

MapReduce

1.定義

Hadoop MapReduce是google MapReduce 克隆版。

MapReduce是一種計算模型，用以進行大數(shù)據(jù)量的計算。其中Map對數(shù)據(jù)集上的獨立元素進行指定的操作，生成鍵-值對形式中間結(jié)果。Reduce則對中間結(jié)果中相同“鍵”的所有“值”進行規(guī)約，以得到最終結(jié)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(shù)據(jù)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(diào)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(shù)據(jù)所在的子節(jié)點。

Hadoop的原則就是就近運行，數(shù)據(jù)和程序要在同一個物理節(jié)點里，數(shù)據(jù)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)，每個集群只有唯一一個JobTracker，類似單點的NameNode，位于Master節(jié)點

(2)TaskTracker

TaskTracker叫任務(wù)跟蹤器，MapReduce體系的最后一個后臺進程，位于每個slave節(jié)點上，與datanode結(jié)合(代碼與數(shù)據(jù)一起的原則)，管理各自節(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Map Task和Reduce Task;并與JobTracker交互，匯報任務(wù)狀態(tài)，

Map Task：解析每條數(shù)據(jù)記錄，傳遞給用戶編寫的map(),并執(zhí)行，將輸出結(jié)果寫入本地磁盤(如果為map-only作業(yè)，直接寫入HDFS)。

Reducer Task：從Map Task的執(zhí)行結(jié)果中，遠程讀取輸入數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行排序，將數(shù)據(jù)按照分組傳遞給用戶編寫的reduce函數(shù)執(zhí)行。

Hive

1.定義

Hive是基于Hadoop的一個數(shù)據(jù)倉庫工具，可以將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)文件映射為一張數(shù)據(jù)庫表，并提供完整的sql查詢功能，可以將sql語句轉(zhuǎn)換為MapReduce任務(wù)進行運行。

Hive是建立在 Hadoop 上的數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)構(gòu)架。它提供了一系列的工具，可以用來進行數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的機制。

Hive 定義了簡單的類 SQL 查詢語言，稱為 HQL，它允許熟悉 SQL 的用戶查詢數(shù)據(jù)。同時，這個語言也允許熟悉 MapReduce 開發(fā)者的開發(fā)自定義的 mapper 和 reducer 來處理內(nèi)建的 mapper 和 reducer 無法完成的復(fù)雜的分析工作。

2.組成

分析：Hive架構(gòu)包括：CLI(Command Line Interface)、JDBC/ODBC、Thrift Server、WEB GUI、Metastore和Driver(Complier、Optimizer和Executor)，這些組件分為兩大類：服務(wù)端組件和客戶端組件

3.客戶端與服務(wù)端組件

(1)客戶端組件：

CLI：Command Line Interface，命令行接口。
Thrift客戶端：上面的架構(gòu)圖里沒有寫上Thrift客戶端，但是Hive架構(gòu)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(wǎng)頁的方式訪問Hive所提供的服務(wù)。這個接口對應(yīng)Hive的HWI組件(Hive Web Interface)，使用前要啟動HWI服務(wù)。

(2)服務(wù)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(diào)用底層的MapReduce計算框架
Metastore組件：元數(shù)據(jù)服務(wù)組件，這個組件存儲Hive的元數(shù)據(jù)，Hive的元數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫里，Hive支持的關(guān)系數(shù)據(jù)庫有Derby和MySQL。元數(shù)據(jù)對于Hive十分重要，因此Hive支持把Metastore服務(wù)獨立出來，安裝到遠程的服務(wù)器集群里，從而解耦Hive服務(wù)和Metastore服務(wù)，保證Hive運行的健壯性;
Thrift服務(wù)：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(wù)的開發(fā)，Hive集成了該服務(wù)，能讓不同的編程語言調(diào)用Hive的接口。

4.Hive與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的異同

(1)查詢語言

由于 SQL 被廣泛的應(yīng)用在數(shù)據(jù)倉庫中，因此專門針對Hive的特性設(shè)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(shù)據(jù)存儲位置

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

(3)數(shù)據(jù)格式

Hive中沒有定義專門的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)格式可以由用戶指定，用戶定義數(shù)據(jù)格式需要指定三個屬性：列分隔符(通常為空格、”\t”、”\\x001″)、行分隔符(”\n”)以及讀取文件數(shù)據(jù)的方法(Hive中默認(rèn)有三個文件格式TextFile，SequenceFile以及RCFile)。

(4)數(shù)據(jù)更新

由于Hive是針對數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用設(shè)計的，而數(shù)據(jù)倉庫的內(nèi)容是讀多寫少的。因此，Hive中不支持

對數(shù)據(jù)的改寫和添加，所有的數(shù)據(jù)都是在加載的時候中確定好的。而數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通常是需要經(jīng)常進行修改的，因此可以使用INSERT INTO … VALUES添加數(shù)據(jù)，使用UPDATE … SET修改數(shù)據(jù)。

(5)索引

Hive在加載數(shù)據(jù)的過程中不會對數(shù)據(jù)進行任何處理，甚至不會對數(shù)據(jù)進行掃描，因此也沒有對數(shù)據(jù)中的某些Key建立索引。Hive要訪問數(shù)據(jù)中滿足條件的特定值時，需要暴力掃描整個數(shù)據(jù)，因此訪問延遲較高。由于MapReduce的引入， Hive可以并行訪問數(shù)據(jù)，因此即使沒有索引，對于大數(shù)據(jù)量的訪問，Hive仍然可以體現(xiàn)出優(yōu)勢。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的訪問，數(shù)據(jù)庫可以有很高的效率，較低的延遲。由于數(shù)據(jù)的訪問延遲較高，決定了Hive不適合在線數(shù)據(jù)查詢。

(6)執(zhí)行

Hive中大多數(shù)查詢的執(zhí)行是通過Hadoop提供的MapReduce來實現(xiàn)的(類似select * from tbl的查詢不需要MapReduce)。而數(shù)據(jù)庫通常有自己的執(zhí)行引擎。

(7)執(zhí)行延遲

Hive在查詢數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shù)據(jù)庫的執(zhí)行延遲較低。當(dāng)然，這個低是有條件的，即數(shù)據(jù)規(guī)模較小，當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模大到超過數(shù)據(jù)庫的處理能力的時候，Hive的并行計算顯然能體現(xiàn)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(世界上最大的Hadoop集群在Yahoo!，2009年的規(guī)模在4000臺節(jié)點左右)。而數(shù)據(jù)庫由于ACID語義的嚴(yán)格限制，擴展行非常有限。目前最先進的并行數(shù)據(jù)庫Oracle在理論上的擴展能力也只有100臺左右。

(9)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù);對應(yīng)的，數(shù)據(jù)庫可以支持的數(shù)據(jù)規(guī)模較小。

Hbase

1.定義

HBase – Hadoop Database，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(shù)可在廉價PC Server上搭建起大規(guī)模結(jié)構(gòu)化存儲集群。

HBase是Google Bigtable的開源實現(xiàn)，類似Google Bigtable利用GFS作為其文件存儲系統(tǒng)，HBase利用Hadoop HDFS作為其文件存儲系統(tǒng);

Google運行MapReduce來處理Bigtable中的海量數(shù)據(jù)，HBase同樣利用Hadoop MapReduce來處理HBase中的海量數(shù)據(jù);

Google Bigtable利用 Chubby作為協(xié)同服務(wù)，HBase利用Zookeeper作為協(xié)同服務(wù)。

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)。

Client

HBase Client使用HBase的RPC機制與HMaster和HRegionServer進行通信，對于管理類操作，Client與 HMaster進行RPC;對于數(shù)據(jù)讀寫類操作，Client與HRegionServer進行RPC

Zookeeper

Zookeeper Quorum 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

HMaster 沒有單點問題，HBase 中可以啟動多個 HMaster ，通過 Zookeeper 的 Master Election 機制保證總有一個 Master 運行，HMaster 在功能上主要負(fù)責(zé) Table和Region的管理工作：

管理用戶對 Table 的增、刪、改、查操作
管理 HRegionServer 的負(fù)載均衡，調(diào)整 Region 分布
在 Region Split 后，負(fù)責(zé)新 Region 的分配
在 HRegionServer 停機后，負(fù)責(zé)失效 HRegionServer 上的 Regions 遷移

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Sorted Memory Buffer，用戶寫入的數(shù)據(jù)首先會放入MemStore，當(dāng)MemStore滿了以后會Flush成一個StoreFile(底層實現(xiàn)是HFile)，當(dāng)StoreFile文件數(shù)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(shù)據(jù)刪除。

因此可以看出HBase其實只有增加數(shù)據(jù)，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(nèi)存中就可以立即返回，保證了 HBase I/O 的高性能。

當(dāng)StoreFiles Compact后，會逐步形成越來越大的StoreFile，當(dāng)單個 StoreFile 大小超過一定閾值后，會觸發(fā)Split操作，同時把當(dāng)前 Region Split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(yīng)的HRegionServer 上，使得原先1個Region的壓力得以分流到2個Region上。

三、Hadoop的應(yīng)用實例

1.回顧Hadoop的整體架構(gòu)