深入淺出大數據：到底什麼是Hadoop？
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作者：小棗君
來源：鮮棗課堂
1998年9月4日，Google公司在美國硅谷成立。正如大家所知，它是一家做搜索引擎起家的公司。
無獨有偶，一位名叫Doug Cutting的美國工程師，也迷上了搜索引擎。他做了一個用於文本搜索的函數庫（姑且理解為軟件的功能組件），命名為Lucene。
左為Doug Cutting，右為Lucene的LOGO
Lucene是用JAVA寫成的，目標是為各種中小型應用軟件加入全文檢索功能。因為好用而且開源（代碼公開），非常受程序員們的歡迎。
早期的時候，這個項目被髮布在Doug Cutting的個人網站和SourceForge（一個開源軟件網站）。後來，2001年底，Lucene成為Apache軟件基金會jakarta項目的一個子項目。
Apache軟件基金會，搞IT的應該都認識
2004年，Doug Cutting再接再勵，在Lucene的基礎上，和Apache開源夥伴Mike Cafarella合作，開發了一款可以代替當時的主流搜索的開源搜索引擎，命名為Nutch。
Nutch是一個建立在Lucene核心之上的網頁搜索應用程序，可以下載下來直接使用。它在Lucene的基礎上加了網絡爬蟲和一些網頁相關的功能，目的就是從一個簡單的站內檢索推廣到全球網絡的搜索上，就像Google一樣。
Nutch在業界的影響力比Lucene更大。
大批網站採用了Nutch平臺，大大降低了技術門檻，使低成本的普通計算機取代高價的Web服務器成為可能。甚至有一段時間，在硅谷有了一股用Nutch低成本創業的潮流。
隨著時間的推移，無論是Google還是Nutch，都面臨搜索對象“體積”不斷增大的問題。
尤其是Google，作為互聯網搜索引擎，需要存儲大量的網頁，並不斷優化自己的搜索算法，提升搜索效率。
Google搜索欄
在這個過程中，Google確實找到了不少好辦法，並且無私地分享了出來。
2003年，Google發表了一篇技術學術論文，公開介紹了自己的谷歌文件系統GFS（Google File System）。這是Google公司為了存儲海量搜索數據而設計的專用文件系統。
第二年，也就是2004年，Doug Cutting基於Google的GFS論文，實現了分佈式文件存儲系統，並將它命名為NDFS（Nutch Distributed File System）。
還是2004年，Google又發表了一篇技術學術論文，介紹自己的MapReduce編程模型。這個編程模型，用於大規模數據集（大於1TB）的並行分析運算。
第二年（2005年），Doug Cutting又基於MapReduce，在Nutch搜索引擎實現了該功能。
2006年，當時依然很厲害的Yahoo（雅虎）公司，招安了Doug Cutting。
這裡要補充說明一下雅虎招安Doug的背景：2004年之前，作為互聯網開拓者的雅虎，是使用Google搜索引擎作為自家搜索服務的。在2004年開始，雅虎放棄了Google，開始自己研發搜索引擎。所以。。。
加盟Yahoo之後，Doug Cutting將NDFS和MapReduce進行了升級改造，並重新命名為Hadoop（NDFS也改名為HDFS，Hadoop Distributed File System）。
這個，就是後來大名鼎鼎的大數據框架系統——Hadoop的由來。而Doug Cutting，則被人們稱為Hadoop之父。
Hadoop這個名字，實際上是Doug Cutting他兒子的黃色玩具大象的名字。所以，Hadoop的Logo，就是一隻奔跑的黃色大象。
我們繼續往下說。
還是2006年，Google又發論文了。
這次，它們介紹了自己的BigTable。這是一種分佈式數據存儲系統，一種用來處理海量數據的非關係型數據庫。
Doug Cutting當然沒有放過，在自己的hadoop系統裡面，引入了BigTable，並命名為HBase。
好吧，反正就是緊跟Google時代步伐，你出什麼，我學什麼。
所以，Hadoop的核心部分，基本上都有Google的影子。
2008年1月，Hadoop成功上位，正式成為Apache基金會的頂級項目。
同年2月，Yahoo宣佈建成了一個擁有1萬個內核的Hadoop集群，並將自己的搜索引擎產品部署在上面。
7月，Hadoop打破世界紀錄，成為最快排序1TB數據的系統，用時209秒。
此後，Hadoop便進入了高速發展期，直至現在。
Hadoop的核心架構
Hadoop的核心，說白了，就是HDFS和MapReduce。HDFS為海量數據提供了存儲，而MapReduce為海量數據提供了計算框架。
Hadoop核心架構
讓我們來仔細看看，它們分別是怎麼工作的。
首先看看HDFS。
整個HDFS有三個重要角色：NameNode（名稱節點）、DataNode（數據節點）和Client（客戶機）。
典型的主從架構，用TCP/IP通信
NameNode：是Master節點（主節點），可以看作是分佈式文件系統中的管理者，主要負責管理文件系統的命名空間、集群配置信息和存儲塊的複製等。NameNode會將文件系統的Meta-data存儲在內存中，這些信息主要包括了文件信息、每一個文件對應的文件塊的信息和每一個文件塊在DataNode的信息等。
DataNode：是Slave節點（從節點），是文件存儲的基本單元，它將Block存儲在本地文件系統中，保存了Block的Meta-data，同時週期性地將所有存在的Block信息發送給NameNode。
Client：切分文件；訪問HDFS；與NameNode交互，獲得文件位置信息；與DataNode交互，讀取和寫入數據。
還有一個Block（塊）的概念：Block是HDFS中的基本讀寫單元；HDFS中的文件都是被切割為block（塊）進行存儲的；這些塊被複制到多個DataNode中；塊的大小（通常為64MB）和複製的塊數量在創建文件時由Client決定。
我們來簡單看看HDFS的讀寫流程。
首先是寫入流程：
1 用戶向Client（客戶機）提出請求。例如，需要寫入200MB的數據。
2 Client制定計劃：將數據按照64MB為塊，進行切割；所有的塊都保存三份。
3 Client將大文件切分成塊（block）。
4 針對第一個塊，Client告訴NameNode（主控節點），請幫助我，將64MB的塊複製三份。
5 NameNode告訴Client三個DataNode（數據節點）的地址，並且將它們根據到Client的距離，進行了排序。
6 Client把數據和清單發給第一個DataNode。
7 第一個DataNode將數據複製給第二個DataNode。
8 第二個DataNode將數據複製給第三個DataNode。
9 如果某一個塊的所有數據都已寫入，就會向NameNode反饋已完成。
10 對第二個Block，也進行相同的操作。
11 所有Block都完成後，關閉文件。NameNode會將數據持久化到磁盤上。
讀取流程：
1 用戶向Client提出讀取請求。
2 Client向NameNode請求這個文件的所有信息。
3 NameNode將給Client這個文件的塊列表，以及存儲各個塊的數據節點清單（按照和客戶端的距離排序）。
4 Client從距離最近的數據節點下載所需的塊。
（注意：以上只是簡化的描述，實際過程會更加複雜。）
再來看MapReduce。
MapReduce其實是一種編程模型。這個模型的核心步驟主要分兩部分：Map（映射）和Reduce（歸約）。
當你向MapReduce框架提交一個計算作業時，它會首先把計算作業拆分成若干個Map任務，然後分配到不同的節點上去執行，每一個Map任務處理輸入數據中的一部分，當Map任務完成後，它會生成一些中間文件，這些中間文件將會作為Reduce任務的輸入數據。Reduce任務的主要目標就是把前面若干個Map的輸出彙總到一起並輸出。
是不是有點暈？我們來舉個例子。
上圖是一個統計詞頻的任務。
1 Hadoop將輸入數據切成若干個分片，並將每個split（分割）交給一個map task（Map任務）處理。
2 Mapping之後，相當於得出這個task裡面，每個詞以及它出現的次數。
3 shuffle（拖移）將相同的詞放在一起，並對它們進行排序，分成若干個分片。
4 根據這些分片，進行reduce（歸約）。
5 統計出reduce task的結果，輸出到文件。
如果還是沒明白的吧，再舉一個例子。
一個老師有100份試卷要閱卷。他找來5個幫手，扔給每個幫手20份試卷。幫手各自閱卷。最後，幫手們將成績彙總給老師。很簡單了吧？
MapReduce這個框架模型，極大地方便了編程人員在不會分佈式並行編程的情況下，將自己的程序運行在分佈式系統上。
哦，差點忘了，在MapReduce裡，為了完成上面這些過程，需要兩個角色：JobTracker和TaskTracker。
JobTracker用於調度和管理其它的TaskTracker。JobTracker可以運行於集群中任一臺計算機上。TaskTracker 負責執行任務，必須運行於 DataNode 上。
1.0版本與2.0版本
2011年11月，Hadoop 1.0.0版本正式發佈，意味著可以用於商業化。
但是，1.0版本中，存在一些問題：
1 擴展性差，JobTracker負載較重，成為性能瓶頸。
2 可靠性差，NameNode只有一個，萬一掛掉，整個系統就會崩潰。
3 僅適用MapReduce一種計算方式。
4 資源管理的效率比較低。
所以，2012年5月，Hadoop推出了 2.0版本 。
2.0版本中，在HDFS之上，增加了YARN（資源管理框架）層。它是一個資源管理模塊，為各類應用程序提供資源管理和調度。
此外，2.0版本還提升了系統的安全穩定性。
所以，後來行業裡基本上都是使用2.0版本。目前Hadoop又進一步發展到3.X版本。
Hadoop的生態圈
經過時間的累積，Hadoop已經從最開始的兩三個組件，發展成一個擁有20多個部件的生態系統。
在整個Hadoop架構中，計算框架起到承上啟下的作用，一方面可以操作HDFS中的數據，另一方面可以被封裝，提供Hive、Pig這樣的上層組件的調用。
我們簡單介紹一下其中幾個比較重要的組件。
HBase：來源於Google的BigTable；是一個高可靠性、高性能、面向列、可伸縮的分佈式數據庫。
Hive：是一個數據倉庫工具，可以將結構化的數據文件映射為一張數據庫表，通過類SQL語句快速實現簡單的MapReduce統計，不必開發專門的MapReduce應用，十分適合數據倉庫的統計分析。
Pig：是一個基於Hadoop的大規模數據分析工具，它提供的SQL-LIKE語言叫Pig Latin，該語言的編譯器會把類SQL的數據分析請求轉換為一系列經過優化處理的MapReduce運算。
ZooKeeper：來源於Google的Chubby；它主要是用來解決分佈式應用中經常遇到的一些數據管理問題，簡化分佈式應用協調及其管理的難度。
Ambari：Hadoop管理工具，可以快捷地監控、部署、管理集群。
Sqoop：用於在Hadoop與傳統的數據庫間進行數據的傳遞。
Mahout：一個可擴展的機器學習和數據挖掘庫。
再上一張圖，可能看得更直觀一點：
Hadoop的優點和應用
總的來看，Hadoop有以下優點：
高可靠性：這個是由它的基因決定的。它的基因來自Google。Google最擅長的事情，就是“垃圾利用”。Google起家的時候就是窮，買不起高端服務器，所以，特別喜歡在普通電腦上部署這種大型系統。雖然硬件不可靠，但是系統非常可靠。
高擴展性：Hadoop是在可用的計算機集群間分配數據並完成計算任務的，這些集群可以方便地進行擴展。說白了，想變大很容易。
高效性：Hadoop能夠在節點之間動態地移動數據，並保證各個節點的動態平衡，因此處理速度非常快。
高容錯性：Hadoop能夠自動保存數據的多個副本，並且能夠自動將失敗的任務重新分配。這個其實也算是高可靠性。
低成本：Hadoop是開源的，依賴於社區服務，使用成本比較低。
基於這些優點，Hadoop適合應用於大數據存儲和大數據分析的應用，適合於服務器幾千臺到幾萬臺的集群運行，支持PB級的存儲容量。
Hadoop的應用非常廣泛，包括：搜索、日誌處理、推薦系統、數據分析、視頻圖像分析、數據保存等，都可以使用它進行部署。
Hadoop的優點和應用
總的來看，Hadoop有以下優點：
高可靠性：這個是由它的基因決定的。它的基因來自Google。Google最擅長的事情，就是“垃圾利用”。Google起家的時候就是窮，買不起高端服務器，所以，特別喜歡在普通電腦上部署這種大型系統。雖然硬件不可靠，但是系統非常可靠。
高擴展性：Hadoop是在可用的計算機集群間分配數據並完成計算任務的，這些集群可以方便地進行擴展。說白了，想變大很容易。
高效性：Hadoop能夠在節點之間動態地移動數據，並保證各個節點的動態平衡，因此處理速度非常快。
高容錯性：Hadoop能夠自動保存數據的多個副本，並且能夠自動將失敗的任務重新分配。這個其實也算是高可靠性。
低成本：Hadoop是開源的，依賴於社區服務，使用成本比較低。
基於這些優點，Hadoop適合應用於大數據存儲和大數據分析的應用，適合於服務器幾千臺到幾萬臺的集群運行，支持PB級的存儲容量。
Hadoop的應用非常廣泛，包括：搜索、日誌處理、推薦系統、數據分析、視頻圖像分析、數據保存等，都可以使用它進行部署。
目前，包括Yahoo、IBM、Facebook、亞馬遜、阿里巴巴、華為、百度、騰訊等公司，都採用Hadoop構建自己的大數據系統。
除了上述大型企業將Hadoop技術運用在自身的服務中外，一些提供Hadoop解決方案的商業型公司也紛紛跟進，利用自身技術對Hadoop進行優化、改進、二次開發等，然後對外提供商業服務。
比較知名的，是Cloudera公司。
它創辦於2008年，專業從事基於Hadoop的數據管理軟件銷售和服務，還提供Hadoop相關的支持、諮詢、培訓等服務，有點類似於RedHat在Linux世界中的角色。前面我們提到的Hadoop之父，Doug Cutting，都被這家公司聘請為首席架構師。
Hadoop和Spark
最後，我再介紹一下大家關心的Spark。
Spark同樣是Apache軟件基金會的頂級項目。它可以理解為在Hadoop基礎上的一種改進。
它是加州大學伯克利分校AMP實驗室所開源的類Hadoop MapReduce的通用並行框架。相對比Hadoop，它可以說是青出於藍而勝於藍。
前面我們說了，MapReduce是面向磁盤的。因此，受限於磁盤讀寫性能的約束，MapReduce在處理迭代計算、實時計算、交互式數據查詢等方面並不高效。但是，這些計算卻在圖計算、數據挖掘和機器學習等相關應用領域中非常常見。
而Spark是面向內存的。這使得Spark能夠為多個不同數據源的數據提供近乎實時的處理性能，適用於需要多次操作特定數據集的應用場景。
在相同的實驗環境下處理相同的數據，若在內存中運行，那麼Spark要比MapReduce快100倍。其它方面，例如處理迭代運算、計算數據分析類報表、排序等，Spark都比MapReduce快很多。
此外，Spark在易用性、通用性等方面，也比Hadoop更強。
所以，Spark的風頭，已經蓋過了Hadoop。
結語
以上，就是小棗君關於大數據相關技術的介紹。
小棗君個人覺得，相比於雲計算技術來說，大數據的應用範圍比較有限，並不是所有的公司都適用，也不是所有的業務場景都適用，沒有必要跟風追捧，更不能盲目上馬。
対於個人來說，大數據系統的架構非常龐大，內容也非常複雜，入門起來會比較吃力（實踐練習倒是門檻很低，幾臺電腦足矣）。所以，如果不是特別渴望朝這個方向發展，可以不必急於學習它。或者說，可以先進行初步的瞭解，後續如果真的要從事相關的工作，再進行深入學習也不遲。
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