【大数据】了解Hadoop框架的基础知识

介绍

此Refcard提供了Apache Hadoop，这是最流行的软件框架，可使用简单的高级编程模型实现大型数据集的分布式存储和处理。我们将介绍Hadoop最重要的概念，描述其架构，指导您如何开始使用它以及在Hadoop上编写和执行各种应用程序。

简而言之，Hadoop是Apache Software Foundation的一个开源项目，可以安装在服务器集群上，以便这些服务器可以通信并协同工作来存储和处理大型数据集。Hadoop近年来因其有效处理大数据的能力而变得非常成功。它允许公司将所有数据存储在一个系统中，并对这些数据进行分析，否则传统解决方案不可能或非常昂贵。

围绕Hadoop构建的许多配套工具提供了各种各样的处理技术。与辅助系统和实用程序的集成非常出色，使Hadoop的实际工作更轻松，更高效。这些工具共同构成了Hadoop生态系统。

您可以将Hadoop视为大数据操作系统，从而可以在所有庞大的数据集上运行不同类型的工作负载。其范围从离线批处理到机器学习再到实时流处理。

热门提示：访问http://hadoop.apache.org以获取有关项目的更多信息并访问详细文档。

要安装Hadoop，您可以从http://hadoop.apache.org获取代码或（更推荐）使用其中一个Hadoop发行版。三种最广泛使用的来自Cloudera（CDH），Hortonworks（HDP）和MapR。Hadoop发布是Hadoop生态系统捆绑在一起的一组工具，由相应的供应商保证，可以很好地协同工作。此外，每个供应商都提供工具（开源或专有）来配置，管理和监控整个平台。

设计理念

为了解决处理和存储大型数据集的挑战，Hadoop是根据以下核心特征构建的：

分发 - 存储和处理不是构建一台大型超级计算机，而是分布在一组通信和协同工作的小型机器上。
横向可扩展性 - 只需添加新计算机即可轻松扩展Hadoop集群。每台新机器都会按比例增加Hadoop集群的总存储和处理能力。
容错 - 即使少数硬件或软件组件无法正常工作，Hadoop仍可继续运行。
成本优化 - Hadoop不需要昂贵的高端服务器，无需商业许可即可正常工作。
编程抽象 - Hadoop负责处理与分布式计算相关的所有混乱细节。借助高级API，用户可以专注于实现解决现实问题的业务逻辑。
数据位置 - Hadoop不会将大型数据集移动到运行应用程序的位置，而是运行数据已经存在的应用程序。

Hadoop组件

Hadoop分为两个核心组件：

HDFS - 分布式文件系统。
YARN - 集群资源管理技术。

热门提示：许多执行框架在YARN之上运行，每个框架都针对特定用例进行了调整。最重要的内容将在下面的“YARN Applications”中讨论。

让我们仔细看看他们的架构并描述他们如何合作。

HDFS

HDFS是一个Hadoop分布式文件系统。它可以在您需要的任意数量的服务器上运行 - HDFS可以轻松扩展到数千个节点和数PB的数据。

HDFS设置越大，某些磁盘，服务器或网络交换机出现故障的概率就越大。HDFS通过在多个服务器上复制数据来幸免于这些类型的故障。HDFS自动检测给定组件是否已发生故障，并采取对用户透明的必要恢复操作。

HDFS设计用于存储数百兆字节或千兆字节的大型文件，并为它们提供高吞吐量的流数据访问。最后但同样重要的是，HDFS支持一次写入多次读取模型。对于这个用例，HDFS就像一个魅力。但是，如果您需要存储大量具有随机读写访问权限的小文件，那么其他系统（如RDBMS和Apache HBase）可以做得更好。

注意：HDFS不允许您修改文件的内容。只支持在文件末尾附加数据。但是，Hadoop设计的HDFS是众多可插拔存储选项之一 - 例如，使用专有文件系统MapR-F，文件完全可读写。其他HDFS替代品包括Amazon S3，Google Cloud Storage和IBM GPFS。

HDFS的体系结构

HDFS由在选定群集节点上安装和运行的以下守护程序组成：

NameNode - 负责管理文件系统命名空间（文件名，权限和所有权，最后修改日期等）以及控制对存储在HDFS中的数据的访问的主进程。如果NameNode已关闭，则无法访问您的数据。幸运的是，您可以配置多个NameNode，以确保此关键HDFS进程的高可用性。
DataNodes - 安装在集群中每个工作节点上的从属进程，负责存储和提供数据。

图1说明了在4节点集群上安装HDFS。其中一个节点托管NameNode守护程序，而其他三个运行DataNode守护程序。

注意：NameNode和DataNode是在Linux发行版之上运行的Java进程，例如RedHat，Centos，Ubuntu等。他们使用本地磁盘存储HDFS数据。

HDFS将每个文件拆分为一系列较小但仍然较大的块（默认块大小等于128MB - 较大的块意味着更少的磁盘搜索操作，从而导致更大的吞吐量）。每个块都冗余地存储在三个DataNode上以实现容错（每个文件的副本数量是可配置的）。

图2说明了将文件拆分为块的概念。文件X被分成块B1和B2，文件Y仅包括一个块B3。所有块都在群集中复制两次。

与HDFS交互

HDFS提供了一个简单的POSIX类接口来处理数据。您使用hdfs dfs命令执行文件系统操作。

热门提示：要开始使用Hadoop，您不必完成设置整个群集的过程。Hadoop可以在一台机器上以所谓的伪分布式模式运行。您可以下载已安装所有HDFS组件的沙盒虚拟机，并立即开始使用Hadoop！只需按照以下链接之一：

http://www.mapr.com/products/mapr-sandbox-hadoop

http://hortonworks.com/products/hortonworks-sandbox/#install

https://www.cloudera.com/downloads/quickstart_vms/5-12.html

以下步骤说明了HDFS用户可以执行的典型操作：

列出主目录的内容：

$ hdfs dfs -ls /user/adam

将文件从本地文件系统上传到HDFS：

$ hdfs dfs -put songs.txt /user/adam

从HDFS读取文件的内容：

$ hdfs dfs -cat /user/adam/songs.txt

更改文件的权限：

$ hdfs dfs -chmod 700 /user/adam/songs.txt

将文件的复制因子设置为4：

$ hdfs dfs -setrep -w 4 /user/adam/songs.txt

检查文件的大小：

`$ hdfs dfs -du -h /user/adam/songs.txt

在主目录中创建一个子目录。请注意，相对路径始终引用执行命令的用户的主目录。HDFS上没有“当前”目录的概念（换句话说，没有相当于“cd”命令）：

$ hdfs dfs -mkdir songs

将文件移动到新创建的子目录：

$ hdfs dfs -mv songs.txt songs/

从HDFS中删除目录：

$ hdfs dfs -rm -r songs

注意：已删除的文件和目录将移至回收站（HDFS上主目录中的.Trash）并保留一天，直到它们被永久删除。您只需将它们从.Trash复制或移动到原始位置即可恢复它们。

热门提示：您可以在不使用任何参数的情况下键入hdfs dfs，以获取可用命令的完整列表。

如果您更喜欢使用图形界面与HDFS交互，您可以查看免费和开源的HUE（Hadoop用户体验）。它包含一个方便的“文件浏览器”组件，允许您浏览HDFS文件和目录并执行基本操作。

您还可以使用HUE通过“上传”按钮直接从计算机将文件上传到HDFS。

YARN（Yet Another Resource Negotiator）负责管理Hadoop集群上的资源，并支持运行处理存储在HDFS上的数据的各种分布式应用程序。

与HDFS类似，YARN遵循主从设计，ResourceManager进程充当主设备，多个NodeManager充当工作者。他们有以下责任：

的ResourceManager

跟踪实时NodeManagers以及群集中每台服务器上的可用计算资源量。
为应用程序分配可用资源。
监视Hadoop集群上所有应用程序的执行情况。

节点管理器

管理Hadoop集群中单个节点上的计算资源（RAM和CPU）。
运行各种应用程序的任务，并强制它们在指定的计算资源的限制范围内。

YARN以资源容器的形式将集群资源分配给各种应用程序，资源容器表示RAM量和CPU核心数量的组合。

在YARN群集上执行的每个应用程序都有自己的ApplicationMaster进程。在群集上调度应用程序并协调此应用程序中所有任务的执行时，此过程开始。

图3说明了YARN守护程序在运行两个应用程序的4节点集群上的合作，这些应用程序总共产生了7个任务。

Hadoop = HDFS + YARN

在同一群集上运行的HDFS和YARN守护程序为我们提供了一个用于存储和处理大型数据集的强大平台。

DataNode和NodeManager进程在同一节点上并置以启用数据位置。这种设计使得能够在存储数据的机器上执行计算，从而最小化通过网络发送大块数据的必要性，这导致更快的执行时间。

YARN应用程序

YARN只是一个资源管理器，它知道如何将分布式计算资源分配给在Hadoop集群上运行的各种应用程序。换句话说，YARN本身不提供任何可以分析HDFS中数据的处理逻辑。因此，必须将各种处理框架与YARN集成（通过提供ApplicationMaster的特定实现）以在Hadoop集群上运行并处理来自HDFS的数据。

下面列出了最流行的分布式计算框架的简短描述，这些框架可以在由YARN支持的Hadoop集群上运行。

MapReduce - Hadoop的传统和最古老的处理框架，将计算表示为一系列map和reduce任务。它目前正被Spark或Flink等更快的引擎所取代。
Apache Spark - 一种用于大规模数据处理的快速通用引擎，可通过在内存中缓存数据来优化计算（后面部分将详细介绍）。
Apache Flink - 高吞吐量，低延迟的批处理和流处理引擎。它以其强大的实时处理大数据流的能力而着称。您可以在这篇全面的文章中找到Spark和Flink之间的差异：https：//dzone.com/articles/apache-hadoop-vs-apache-spark
Apache Tez - 一个旨在加快Hive执行SQL查询的引擎。它可以在Hortonworks数据平台上获得，它将MapReduce替换为Hive的执行引擎。

监控YARN应用程序

可以使用ResourceManager WebUI跟踪在Hadoop集群上运行的所有应用程序的执行，默认情况下，该管理程序在端口8088上公开。

对于每个应用程序，您都可以阅读一些重要信息。

如果单击“ID”列中的条目，您将获得有关所选应用程序执行的更详细的指标和统计信息。

热门提示：使用ResourceManager WebUI，您可以检查可用于处理的RAM总量和CPU核心数以及当前的Hadoop集群负载。查看页面顶部的“群集指标”。

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CTO老王