数据科学家分享：“大数据全栈技术与商用平台架构设计之路”

各位好：

回首10年多的科研工作历程，也是中国经济高速发展的10多年，中国高铁、核电、航空、互联网、云计算、大数据、人工智能等领域无不铭刻着“中国名片”，这就是科技是第一生产力的实践验证！12年前，获得北邮计算机工学硕士后信心满满的踏上了科研之路，一干就是十多年，有苦有泪有艰辛，但收获的是一种为国防科技发展能奉献和敢担当的责任感。今天，更一次站在了移动互联网这个朝阳产业的跑道上，和诸多大数据和人工智能的世界级大咖共商创新发展！7年前加入中国移动集团研究院，担任资深大数据专家和研究员，主攻大数据和人工智能平台架构设计和关键技术研究，并多次受邀在大数据行业和主流峰会进行学术交流，在见证我的学生们历练为BAT/TMD的技术专家同时，也悄然实现着我的技术梦想-让高科技研发标准化和平民化。今天有幸分享商用大数据平台研发经验，让大数据知识图谱在各位的脑海里转起来，并形成商用产品的作战体系，这是“作为架构师，何谓正确？”的行动基础。我分享四大部分：知识分类，系统架构，核心技术，经验分享。具体如下：

一、大数据知识归类:

文件存储：Hadoop HDFS、Tachyon、KFS
离线计算：Hadoop MapReduce、Spark
流式、实时计算：Storm、Spark Streaming
K-V、NOSQL数据库：HBase、Redis、MongoDB
资源管理：YARN、Mesos
日志收集：Flume、Scribe、Logstash、Kibana
消息系统：Kafka、StormMQ、ZeroMQ、RabbitMQ
查询分析：Hive、Impala、Pig、SparkSQL、Drill、Flink、Kylin、Druid
分布式协调服务：Zookeeper
集群管理与监控：Ambari、Ganglia、Nagios、Cloudera Manager
数据挖掘、机器学习：Mahout、Spark MLLib
数据同步：Sqoop
任务调度：Oozie

二、系统架构:

以物联网大数据平台的架构为例，围绕着这条主线：基础架构-》离线分析-》离线迁移-》离线同步-》实时计算-》实时交换-》实时调度-》实时存储-》智能分析

三、核心技术（10章）

第一章：Hadoop的崛起

Hadoop是一个由Apache基金会所开发的分布式系统基础架构。Hadoop是实现了真正意义上的去“IOE”，尤其是开启了摆脱国外高科技公司的全球垄断时代，让全球用户可以轻松地在免费的Hadoop上开发和运行处理海量数据的应用程序。建议先把Hadoop集群构建起来，具体操作见我的博客：https://blog.csdn.net/peter_changyb/article/details/81195920。它主要有以下几个优点：

高可靠性。Hadoop按位存储和处理数据的能力值得人们信赖。
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。
高效性。Hadoop能够在节点之间动态地移动数据，并保证各个节点动态平衡，因此处理速度非常快。
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。

Hadoop可以算是大数据存储和计算的开山鼻祖，现在大多开源的大数据框架都依赖Hadoop或者与它能很好的兼容。具备如下：

Hadoop 1.0、Hadoop 2.0
MapReduce、HDFS
NameNode、DataNode
JobTracker、TaskTracker
Yarn、ResourceManager、NodeManager

1.1 HDFS是Hadoop的关键技术所在

HDFS目录操作命令；上传、下载文件命令；提交运行MapReduce示例程序；打开Hadoop WEB界面，查看Job运行状态，查看Job运行日志。知道Hadoop的系统日志在哪里。

1.2 了解并行计算的核心原理

MapReduce：分而治之的优秀思想；HDFS：数据分片和数据复制为核心的技术。数据到底在哪里，什么是副本；

Yarn如何用分层管理思想革命性的改变了MapReduce的核心架构？NameNode职责？；Resource Manager职责？

1.3 亲自写MapReduce程序

Hadoop可以算是大数据存储和计算的开山鼻祖，现在大多开源的大数据框架都依赖Hadoop或者与它能很好的兼容。具备如下：

Hadoop 1.0、Hadoop 2.0
MapReduce、HDFS
NameNode、DataNode
JobTracker、TaskTracker
Yarn、ResourceManager、NodeManager

1.1 Hadoop是云计算产品代表

1.2 了解原理

MapReduce：如何分而治之；HDFS：数据到底在哪里，什么是副本；

Yarn到底是什么，它能干什么；NameNode到底在干些什么；Resource Manager到底在干些什么；

1.3 自己写一个MapReduce程序

请仿照WordCount例子，自己写一个WordCount程序，

第二章：Hive做离线分析-查询统计

2.1 SQL On Hadoop之Hive

什么是Hive？官方给的解释如下：The Apache Hive data warehouse software facilitates reading, writing, and managing large datasets residing in distributed storage and queried using SQL syntax.

为什么说Hive是数据仓库工具，而不是数据库工具呢？有的朋友可能不知道数据仓库，数据仓库是逻辑上的概念，底层使用的是数据库，数据仓库中的数据有这两个特点：最全的历史数据（海量）、相对稳定的；所谓相对稳定，指的是数据仓库不同于业务系统数据库，数据经常会被更新，数据一旦进入数据仓库，很少会被更新和删除，只会被大量查询。而Hive，也是具备这两个特点，因此，Hive适合做海量数据的数据仓库工具，而不是数据库工具。

Hive核心技术讲解参见我的博客 https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/81977665

2.2 安装配置Hive

2.3 试试使用Hive

2.4 Hive是怎么工作的

2.5 学会Hive的基本命令

创建、删除表；加载数据到表；下载Hive表的数据

你具备以下技能和知识点：

MapReduce的原理（还是那个经典的题目，一个10G大小的文件，给定1G大小的内存，如何使用Java程序统计出现次数最多的10个单词及次数）；
HDFS读写数据的流程；向HDFS中PUT数据；从HDFS中下载数据；
自己会写简单的MapReduce程序，运行出现问题，知道在哪里查看日志；
会写简单的SELECT、WHERE、GROUP BY等SQL语句；
Hive SQL转换成MapReduce的大致流程；
Hive中常见的语句：创建表、删除表、往表中加载数据、分区、将表中数据下载到本地；

第三章：数据采集与迁移

此处也可以叫做数据采集，把各个数据源的数据采集到Hadoop上。

3.1 HDFS PUT命令

这个在前面你应该已经使用过了。put命令在实际环境中也比较常用，通常配合shell、python等脚本语言来使用。建议熟练掌握。

3.2 HDFS API

HDFS提供了写数据的API，自己用编程语言将数据写入HDFS，put命令本身也是使用API。

实际环境中一般自己较少编写程序使用API来写数据到HDFS，通常都是使用其他框架封装好的方法。比如：Hive中的INSERT语句，Spark中的saveAsTextfile等。建议了解原理，会写Demo。

3.3 Sqoop

Sqoop是一个主要用于Hadoop/Hive与传统关系型数据库，Oracle、MySQL、SQLServer等之间进行数据交换的开源框架。就像Hive把SQL翻译成MapReduce一样，Sqoop把你指定的参数翻译成MapReduce，提交到Hadoop运行，完成Hadoop与其他数据库之间的数据交换。

自己下载和配置Sqoop（建议先使用Sqoop1，Sqoop2比较复杂）。了解Sqoop常用的配置参数和方法。

使用Sqoop完成从MySQL同步数据到HDFS；使用Sqoop完成从MySQL同步数据到Hive表；如果后续选型确定使用Sqoop作为数据交换工具，那么建议熟练掌握，否则，了解和会用Demo即可。Sqoop导入Hbase核心代码见我的技术博客https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/82557741

3.4 Flume

Flume是一个分布式的海量日志采集和传输框架，因为“采集和传输框架”，所以它并不适合关系型数据库的数据采集和传输。Flume可以实时的从网络协议、消息系统、文件系统采集日志，并传输到HDFS上。因此，如果你的业务有这些数据源的数据，并且需要实时的采集，那么就应该考虑使用Flume。下载和配置Flume。使用Flume监控一个不断追加数据的文件，并将数据传输到HDFS；Flume的配置和使用较为复杂，如果你没有足够的兴趣和耐心，可以先跳过Flume。核心技术参见我的技术博客https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/81213997

第四章：数据同步

Hive和MapReduce进行分析了。那么接下来的问题是，分析完的结果如何从Hadoop上同步到其他系统和应用中去呢？其实，此处的方法和第三章基本一致的。

4.1 HDFS GET命令

把HDFS上的文件GET到本地。需要熟练掌握。

4.2 HDFS API

4.3 Sqoop

同3.3.使用Sqoop完成将HDFS上的文件同步到MySQL；使用Sqoop完成将Hive表中的数据同步到MySQL。

4.4 DataX

DataX 是一个异构数据源离线同步工具，致力于实现包括关系型数据库(MySQL、Oracle等)、HDFS、Hive、ODPS、HBase、FTP等各种异构数据源之间稳定高效的数据同步功能。之所以介绍这个，是因为我们公司目前使用的Hadoop与关系型数据库数据交换的工具，就是之前基于DataX开发的，非常好用。现在DataX已经是3.0版本，支持很多数据源。你也可以在其之上做二次开发。有兴趣的可以研究和使用一下，对比一下它与Sqoop。DataX本身作为离线数据同步框架，采用Framework + plugin架构构建。将数据源读取和写入抽象成为Reader/Writer插件，纳入到整个同步框架中。

Reader：Reader为数据采集模块，负责采集数据源的数据，将数据发送给Framework。

Writer： Writer为数据写入模块，负责不断向Framework取数据，并将数据写入到目的端。

Framework：Framework用于连接reader和writer，作为两者的数据传输通道，并处理缓冲，流控，并发，数据转换等核心技术问题。

第五章：实时计算-SparkSQL

其实大家都已经发现Hive后台使用MapReduce作为执行引擎，实在是有点慢。因此SQL On Hadoop的框架越来越多，按我的了解，最常用的按照流行度依次为SparkSQL、Impala和Presto.这三种框架基于半内存或者全内存，提供了SQL接口来快速查询分析Hadoop上的数据。核心技术参考我的博客https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/81904066

我们目前使用的是SparkSQL，至于为什么用SparkSQL，原因大概有以下吧：使用Spark还做了其他事情，不想引入过多的框架；Impala对内存的需求太大，没有过多资源部署。

5.1 关于Spark和SparkSQL

什么是Spark，什么是SparkSQL。

Spark有的核心概念及名词解释。

SparkSQL和Spark是什么关系，SparkSQL和Hive是什么关系。

SparkSQL为什么比Hive跑的快。

5.2 如何部署和运行SparkSQL

Spark有哪些部署模式？

如何在Yarn上运行SparkSQL？

使用SparkSQL查询Hive中的表。Spark不是一门短时间内就能掌握的技术，因此建议在了解了Spark之后，可以先从SparkSQL入手，循序渐进。

关于Spark和SparkSQL，如果你认真完成了上面的学习和实践，此时，你的”大数据平台”应该是这样的。

第六章：数据交换-一次采集、多次消费

在实际业务场景下，特别是对于一些监控日志，想即时的从日志中了解一些指标（关于实时计算，后面章节会有介绍），这时候，从HDFS上分析就太慢了，尽管是通过Flume采集的，但Flume也不能间隔很短就往HDFS上滚动文件，这样会导致小文件特别多。

为了满足数据的一次采集、多次消费的需求，这里要说的便是Kafka。

6.1 关于Kafka

什么是Kafka？Kafka的核心概念及名词解释。

6.2 如何部署和使用Kafka

使用单机部署Kafka，并成功运行自带的生产者和消费者例子。使用Java程序自己编写并运行生产者和消费者程序。Flume和Kafka的集成，使用Flume监控日志，并将日志数据实时发送至Kafka。

这时，使用Flume采集的数据，不是直接到HDFS上，而是先到Kafka，Kafka中的数据可以由多个消费者同时消费，其中一个消费者，就是将数据同步到HDFS。

为什么Spark比MapReduce快。
使用SparkSQL代替Hive，更快的运行SQL。
使用Kafka完成数据的一次收集，多次消费架构。
自己可以写程序完成Kafka的生产者和消费者。

从前面的学习，你已经掌握了大数据平台中的数据采集、数据存储和计算、数据交换等大部分技能，而这其中的每一步，都需要一个任务（程序）来完成，各个任务之间又存在一定的依赖性，比如，必须等数据采集任务成功完成后，数据计算任务才能开始运行。如果一个任务执行失败，需要给开发运维人员发送告警，同时需要提供完整的日志来方便查错。

第七章：实时调度

不仅仅是分析任务，数据采集、数据交换同样是一个个的任务。这些任务中，有的是定时触发，有点则需要依赖其他任务来触发。当平台中有几百上千个任务需要维护和运行时候，仅仅靠crontab远远不够了，这时便需要一个调度监控系统来完成这件事。调度监控系统是整个数据平台的中枢系统，类似于AppMaster，负责分配和监控任务。

7.1 Apache Oozie

1. Oozie是什么？有哪些功能？当你的系统引入了spark或者hadoop以后，基于Spark和Hadoop已经做了一些任务，比如一连串的Map Reduce任务，但是他们之间彼此右前后依赖的顺序，因此你必须要等一个任务执行成功后，再手动执行第二个任务。

Oozie是管理Hadoop作业的工作流调度系统
Oozie的工作流是一系列的操作图
Oozie协调作业是通过时间（频率）以及有效数据触发当前的Oozie工作流程
Oozie是针对Hadoop开发的开源工作流引擎，专门针对大规模复杂工作流程和数据管道设计
Oozie围绕两个核心：工作流和协调器，前者定义任务的拓扑和执行逻辑，后者负责工作流的依赖和触发。

2. Oozie可以调度哪些类型的任务（程序）？

3. Oozie可以支持哪些任务触发方式？

4. 安装配置Oozie。

7.2 其他开源的任务调度系统

Azkaban，light-task-scheduler，Zeus，等等。另外，我这边是之前单独开发的任务调度与监控系统。

第八章：实时处理

在第六章介绍Kafka的时候提到了一些需要实时指标的业务场景，实时基本可以分为绝对实时和准实时，绝对实时的延迟要求一般在毫秒级，准实时的延迟要求一般在秒、分钟级。对于需要绝对实时的业务场景，用的比较多的是Storm，对于其他准实时的业务场景，可以是Storm，也可以是Spark Streaming。当然，如果可以的话，也可以自己写程序来做。

8.1 Storm

1. 什么是Storm？有哪些可能的应用场景？

2. Storm由哪些核心组件构成，各自担任什么角色？

3. Storm的简单安装和部署。

4. 自己编写Demo程序，使用Storm完成实时数据流计算。案例实战参见我的技术博客https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/82380603

8.2 Spark Streaming

1. 什么是Spark Streaming，它和Spark是什么关系？

2. Spark Streaming和Storm比较，各有什么优缺点？

3. 使用Kafka + Spark Streaming，完成实时计算的Demo程序。

至此，你的大数据平台底层架构已经成型了，其中包括了数据采集、数据存储与计算（离线和实时）、数据同步、任务调度与监控这几大模块。接下来是时候考虑如何更好的对外提供数据了。

第九章：规模迁移

通常对外（业务）提供数据访问，大体上包含以下方面。

离线：比如，每天将前一天的数据提供到指定的数据源（DB、FILE、FTP）等；离线数据的提供可以采用Sqoop、DataX等离线数据交换工具。
实时：比如，在线网站的推荐系统，需要实时从数据平台中获取给用户的推荐数据，这种要求延时非常低（50毫秒以内）。根据延时要求和实时数据的查询需要，可能的方案有：HBase、Redis、MongoDB、ElasticSearch等。
OLAP分析：OLAP除了要求底层的数据模型比较规范，另外，对查询的响应速度要求也越来越高，可能的方案有：Impala、Presto、SparkSQL、Kylin。如果你的数据模型比较规模，那么Kylin是最好的选择。
即席查询：即席查询的数据比较随意，一般很难建立通用的数据模型，因此可能的方案有：Impala、Presto、SparkSQL。

这么多比较成熟的框架和方案，需要结合自己的业务需求及数据平台技术架构，选择合适的。原则只有一个：越简单越稳定的，就是最好的。

如果你已经掌握了如何很好的对外（业务）提供数据，那么你的“大数据平台”应该是这样的：

第十章：机器学习

在我们的业务中，遇到的能用机器学习解决的问题大概这么三类：

分类问题：包括二分类和多分类，二分类就是解决了预测的问题，就像预测一封邮件是否垃圾邮件；多分类解决的是文本的分类；
聚类问题：从用户搜索过的关键词，对用户进行大概的归类。
推荐问题：根据用户的历史浏览和点击行为进行相关推荐。

机器学习核心技术参见我的技术博客https://blog.csdn.net/Peter_Changyb/article/details/82347169。大多数行业，使用机器学习解决的，也就是这几类问题。入门学习线路，数学基础；机器学习实战，懂Python最好；SparkMlLib提供了一些封装好的算法，以及特征处理、特征选择的方法。

四、经验分享

总之，对商用大数据平台而言，我们要考虑应用场景，用户规模和数据处理能力，以及未来3年的目标等。在应用场景的设计中，会考虑业务和技术的结合度量，业务的规模和流程设计。用户规模和数据处理能力，会考虑技术选型和架构设计。具体要考虑架构设计。架构中重要的核心指标：性能、可用性、伸缩性、扩展性的等架构指标。

一、性能

性能就是核心要素之一，具体如下：

CDN加速
反向代理
分布式缓存
异步化：通过分布式消息队列来实现削峰的目的。通过业务配合技术来解决问题。
集群：采用集群也是服务虚拟化的一个体现。用以避免单点问题，同时提供更加高可用，高性能的服务。
代码优化：多线程中，如果是密集型计算，线程数不宜超过CPU核数。如果是IO处理，则线程数=[任务执行时间/(任务执行时间-IO等待时间)] * CPU核数。除此之外，我们应该将对象设计成无状态对象，多采用局部对象，适当将锁细化。进行资源复用。比如采用单例模式，比如采用连接池。合理设置JVM参数。
存储性能优化：关系型数据库的索引采用B+树进行实现。而很多的nosql数据库则采用了LSM树进行存储。LSM在内存中保留最新增删改查的数据，直到内存无法放下，则与磁盘的下一级LSM树进行merge。所以对于写操作较多，而读操作更多的是查询最近写入数据的场景，其性能远高于b+树；采用HDFS结合map reduce进行海量数据存储和分析。其能自动进行并发访问和冗余备份，具有很高的可靠性。其等于是实现了RAID的功能。
数据访问接口优化：数据库层其实是最脆弱的一层，一般在应用设计时在上游就需要把请求拦截掉，数据库层只承担“能力范围内”的访问请求，所以，我们通过在服务层引入队列和缓存，让最底层的数据库高枕无忧。

二、高可用性

衡量一个系统架构设计是否满足高可用的目标，就是假设系统中任何一台或者多台服务器宕机时，以及出现各种不可预期的问题时，系统整体是否依然可用。一般就三个手段、冗余、集群化、分布式。高可用的主要手段就是冗余，应用部署在多台服务器上同时提供服务，数据存储在多台服务器上相互备份。安全服务是指计算机网络提供的安全防护措施，包括认证服务、访问控制、数据机密性服务、数据完整性服务和不可否认服务。特定的安全机制是用来实施安全服务的机制，包括加密机制、数据签名机制、访问控制机制、数据完整性机制、认证交换机制、流量填充机制、路由控制机制和公证机制。普遍性的安全机制不是为任何特定的服务而特设的，属于安全管理方面，分为可信功能度、安全标记、事件检测、安全审计跟踪和安全恢复。

三、高扩展性

扩展性指对现有系统影响最小的情况下，系统功能可持续扩展或提升的能力。表现在系统基础设施稳定不需要经常变更，应用之间较少依赖和耦合，当系统增加新功能时，不需要对现有系统的结构和代码进行修改。扩展性依赖于前期良好的架构设计。合理业务逻辑抽象，水平/垂直切割分布式化等等。可扩展架构的主要手段是事件驱动架构和分布式服务。事件驱动通常利用消息队列实现，通过这种方式将消息生产和处理逻辑分隔开。服务器服务则是将业务和可复用服务分离开来，通过分布式服务框架调用。新增加产品可用通过调用可复用的服务来实现自身的业务逻辑，而对现有产品没有任何影响。

四、高伸缩性

服务尽量同构。DB、cache在考虑分布式时尽量提前设计好扩展方案。也可以采用一些主流的对水平伸缩支持较好的nosql、memcached、hbase等。

围绕着大数据平台的全栈技术，以及数据流主线：数据采集-》数据集成-》数据处理-》数据微服务-》数据应用，我设计并实现了如下的商用大数据平台架构。

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