Hadoop分布式系统基础架构详细介绍

作者:博客水木  发布日期:2013-04-23 19:53:04

一、简介

Hadoop是一个分布式系统基础架构,由Apache基金会开发。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下,开发分布式程序。充分利用集群的威力高速运算和存储。Hadoop实现了一个分布式文件系统(Hadoop Distributed File System),简称HDFS。HDFS有着高容错性的特点,并且设计用来部署在低廉的(low-cost)硬件上。而且它提供高传输率(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。HDFS放宽了(relax)POSIX的要求(requirements)这样可以流的形式访问(streaming access)文件系统中的数据。

二、使用Hadoop有什么好处

Hadoop是一个能够让用户轻松架构和使用的分布式计算平台。用户可以轻松地在Hadoop上开发和运行处理海量数据的应用程序。它主要有以下几个优点:
⒈高可靠性。Hadoop按位存储和处理数据的能力值得人们信赖。
⒉高扩展性。Hadoop是在可用的计算机集簇间分配数据并完成计算任务的,这些集簇可以方便地扩展到数以千计的节点中。
⒊高效性。Hadoop能够在节点之间动态地移动数据,并保证各个节点的动态平衡,因此处理速度非常快。
⒋高容错性。Hadoop能够自动保存数据的多个副本,并且能够自动将失败的任务重新分配。

三、架构分析

Hadoop 有许多元素构成。其最底部是 Hadoop Distributed File Syst(HDFS),它存储 Hadoop 集群中所有存储节点上的文件。HDFS(对于本文)的上一层是 MapReduce 引擎,该引擎由 JobTrackers 和 TaskTrackers 组成。

HDFS
对外部客户机而言,HDFS 就像一个传统的分级文件系统。可以创建、删除、移动或重命名文件,等等。但是 HDFS 的架构是基于一组特定的节点构建的(参见图 1),这是由它自身的特点决定的。这些节点包括 NameNode(仅一个),它在 HDFS 内部提供元数据服务;DataNode,它为 HDFS 提供存储块。由于仅存在一个 NameNode,因此这是 HDFS 的一个缺点(单点失败)。
存储在 HDFS 中的文件被分成块,然后将这些块复制到多个计算机中(DataNode)。这与传统的 RAID 架构大不相同。块的大小(通常为 64MB)和复制的块数量在创建文件时由客户机决定。NameNode 可以控制所有文件操作。HDFS 内部的所有通信都基于标准的 TCP/IP 协议。

NameNode
NameNode 是一个通常在 HDFS 实例中的单独机器上运行的软件。它负责管理文件系统名称空间和控制外部客户机的访问。NameNode 决定是否将文件映射到 DataNode 上的复制块上。对于最常见的 3 个复制块,第一个复制块存储在同一机架的不同节点上,最后一个复制块存储在不同机架的某个节点上。注意,这里需要您了解集群架构。
实际的 I/O事务并没有经过 NameNode,只有表示 DataNode 和块的文件映射的元数据经过 NameNode。当外部客户机发送请求要求创建文件时,NameNode 会以块标识和该块的第一个副本的 DataNode IP 地址作为响应。这个 NameNode 还会通知其他将要接收该块的副本的 DataNode。
NameNode 在一个称为 FsImage 的文件中存储所有关于文件系统名称空间的信息。这个文件和一个包含所有事务的记录文件(这里是 EditLog)将存储在 NameNode 的本地文件系统上。FsImage 和 EditLog 文件也需要复制副本,以防文件损坏或 NameNode 系统丢失。
NameNode本身不可避免地具有SPOF(Single Point Of Failure)单点失效的风险,主备模式并不能解决这个问题,目前只有通过Hadoop Non-stop namenode才能实现100% uptime可用时间。

DataNode
DataNode 也是一个通常在 HDFS 实例中的单独机器上运行的软件。Hadoop 集群包含一个 NameNode 和大量 DataNode。DataNode 通常以机架的形式组织,机架通过一个交换机将所有系统连接起来。Hadoop 的一个假设是:机架内部节点之间的传输速度快于机架间节点的传输速度。
DataNode 响应来自 HDFS 客户机的读写请求。它们还响应来自 NameNode 的创建、删除和复制块的命令。NameNode 依赖来自每个 DataNode 的定期心跳(heartbeat)消息。每条消息都包含一个块报告,NameNode 可以根据这个报告验证块映射和其他文件系统元数据。如果 DataNode 不能发送心跳消息,NameNode 将采取修复措施,重新复制在该节点上丢失的块。
文件操作
可见,HDFS 并不是一个万能的文件系统。它的主要目的是支持以流的形式访问写入的大型文件。如果客户机想将文件写到 HDFS 上,首先需要将该文件缓存到本地的临时存储。如果缓存的数据大于所需的 HDFS 块大小,创建文件的请求将发送给 NameNode。NameNode 将以 DataNode 标识和目标块响应客户机。同时也通知将要保存文件块副本的 DataNode。当客户机开始将临时文件发送给第一个 DataNode 时,将立即通过管道方式将块内容转发给副本 DataNode。客户机也负责创建保存在相同 HDFS名称空间中的校验和(checksum)文件。在最后的文件块发送之后,NameNode 将文件创建提交到它的持久化元数据存储(在 EditLog 和 FsImage 文件)。

Linux 集群
Hadoop 框架可在单一的 Linux 平台上使用(开发和调试时),但是使用存放在机架上的商业服务器才能发挥它的力量。这些机架组成一个 Hadoop 集群。它通过集群拓扑知识决定如何在整个集群中分配作业和文件。Hadoop 假定节点可能失败,因此采用本机方法处理单个计算机甚至所有机架的失败。

 

四、集群系统

Google的数据中心使用廉价的Linux PC机组成集群,在上面运行各种应用。即使是分布式开发的新手也可以迅速使用Google的基础设施。核心组件是3个:

⒈GFS(Google File System)。一个分布式文件系统,隐藏下层负载均衡,冗余复制等细节,对上层程序提供一个统一的文件系统API接口。Google根据自己的需求对它进行了特别优化,包括:超大文件的访问,读操作比例远超过写操作,PC机极易发生故障造成节点失效等。GFS把文件分成64MB的块,分布在集群的机器上,使用Linux的文件系统存放。同时每块文件至少有3份以上的冗余。中心是一个Master节点,根据文件索引,找寻文件块。详见Google的工程师发布的GFS论文。

⒉MapReduce。Google发现大多数分布式运算可以抽象为MapReduce操作。Map是把输入Input分解成中间的Key/Value对,Reduce把Key/Value合成最终输出Output。这两个函数由程序员提供给系统,下层设施把Map和Reduce操作分布在集群上运行,并把结果存储在GFS上。

⒊BigTable。一个大型的分布式数据库,这个数据库不是关系式的数据库。像它的名字一样,就是一个巨大的表格,用来存储结构化的数据。www.it165.net
以上三个设施Google均有论文发表。

五、应用程序

Hadoop 的最常见用法之一是 Web 搜索。虽然它不是惟一的软件框架应用程序,但作为一个并行数据处理引擎,它的表现非常突出。Hadoop 最有趣的方面之一是 Map and Reduce 流程,它受到Google开发的启发。这个流程称为创建索引,它将 Web爬行器检索到的文本 Web 页面作为输入,并且将这些页面上的单词的频率报告作为结果。然后可以在整个 Web 搜索过程中使用这个结果从已定义的搜索参数中识别内容。
MapReduce
最简单的 MapReduce应用程序至少包含 3 个部分:一个 Map 函数、一个 Reduce 函数和一个 main 函数。main 函数将作业控制和文件输入/输出结合起来。在这点上,Hadoop 提供了大量的接口和抽象类,从而为 Hadoop应用程序开发人员提供许多工具,可用于调试和性能度量等。
MapReduce 本身就是用于并行处理大数据集的软件框架。MapReduce 的根源是函数性编程中的 map 和 reduce 函数。它由两个可能包含有许多实例(许多 Map 和 Reduce)的操作组成。Map 函数接受一组数据并将其转换为一个键/值对列表,输入域中的每个元素对应一个键/值对。Reduce 函数接受 Map 函数生成的列表,然后根据它们的键(为每个键生成一个键/值对)缩小键/值对列表。
这里提供一个示例,帮助您理解它。假设输入域是 one small step for man,one giant leap for mankind。

六、Hadoop的子项目

Hadoop Common: 在0.20及以前的版本中,包含HDFS、MapReduce和其他项目公共内容,从0.21开始HDFS和MapReduce被分离为独立的子项目,其余内容为Hadoop Common
HDFS: Hadoop分布式文件系统(Distributed File System) - HDFS (Hadoop Distributed File System)
MapReduce:并行计算框架,0.20前使用 org.apache.hadoop.mapred 旧接口,0.20版本开始引入org.apache.hadoop.mapreduce的新API
HBase: 类似Google BigTable的分布式NoSQL列数据库。(HBase和Avro已经于2010年5月成为顶级 Apache 项目)
Hive:数据仓库工具,由Facebook贡献。
Zookeeper:分布式锁设施,提供类似Google Chubby的功能,由Facebook贡献。
Avro:新的数据序列化格式与传输工具,将逐步取代Hadoop原有的IPC机制。
Pig:大数据分析平台,为用户提供多种接口。
Ambari:Hadoop管理工具,可以快捷的监控、部署、管理集群。
Sqoop:于在HADOOP与传统的数据库间进行数据的传递。

七、Hadoop信息安全

通过Hadoop安全部署经验总结,开发出以下十大建议,以确保大型和复杂多样环境下的数据信息安全。
1、先下手为强!在规划部署阶段就确定数据的隐私保护策略,最好是在将数据放入到Hadoop之前就确定好保护策略。
  2、确定哪些数据属于企业的敏感数据。根据公司的隐私保护政策,以及相关的行业法规和政府规章来综合确定。
  3、及时发现敏感数据是否暴露在外,或者是否导入到Hadoop中。
  4、搜集信息并决定是否暴露出安全风险。
  5、确定商业分析是否需要访问真实数据,或者确定是否可以使用这些敏感数据。然后,选择合适的加密技术。如果有任何疑问,对其进行加密隐藏处理,同时提供最安全的加密技术和灵活的应对策略,以适应未来需求的发展。
  6、确保数据保护方案同时采用了隐藏和加密技术,尤其是如果我们需要将敏感数据在Hadoop中保持独立的话。
  7、确保数据保护方案适用于所有的数据文件,以保存在数据汇总中实现数据分析的准确性。
  8、确定是否需要为特定的数据集量身定制保护方案,并考虑将Hadoop的目录分成较小的更为安全的组。
  9、确保选择的加密解决方案可与公司的访问控制技术互操作,允许不同用户可以有选择性地访问Hadoop集群中的数据。
  10、确保需要加密的时候有合适的技术(比如Java、Pig等)可被部署并支持无缝解密和快速访问数据。

 
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