什么是大数据？大数据平台架构介绍

2019-03-05 20:00 来源：ITbrand

“大数据”英文名称Big data。这个概念是近几年开始火起来的，现在可谓是无处不在了。在了解什么是大数据之前，我们先了解一下什么是传统数据?

传统数据就是IT业务系统里面的数据，如客户资料、财务数据等。这些数据是结构化的，量也不是特别大，一般只是TB级。对比传统数据，还有一种叫“新数据”，是来源于社区网络、互联网等渠道，包括文本、图片、音频、视频等非结构化的数据。目前全世界75%以上都是非结构化数据，而且还一直呈现爆炸性的增长。我们看看下面的图就更好理解了：

大数据就是：结构化的传统数据+非结构化的新数据。

因而，大数据还具有以下特点，简称“4V”：

Volume(大量)：数据体量巨大，从TB级别，跃升到PB级别;

Variety(多样)：数据类型繁多，有网络日志、视频、图片、地理位置信息等;

Velocity(高速)：处理速度快，可从各种类型的数据中快速获得高价值的信息，这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同;

Value(价值)：只要合理利用数据并对其进行正确、准确的分析，将会带来很高的价值回报。

第二步：大数据组成

大数据系统由基础设施、平台和应用组成。对比我们平时使用的电脑，基础设施就是电脑这台硬件，平台就是装在里面的操作系统，应用就是操作系统上面的各种应用程序。

大数据的应用五花八门，但总体上可分为“业务应用”和“数据分析”两大类。

前者包括ERP、CRM等业务系统，后者指的是各种分析应用，包括经营分析、价值分析、人流分析等等。分析系统从业务系统获取源数据，经过分析后可以反哺业务系统，对其进行赋能(注智)，让其具有智慧。说到这里，大家是不是觉得有点熟悉了?跟我们的BI是不是有某些联系呢?没错了，“大数据平台”和“数据分析系统”加在一起就是BI的升级版啊!既然是升级版，它与传统BI有什么区别呢?请看下面就知道啦。

* 成本更低廉

去IOE，硬件采用廉价的X86，软件更多使用开源，节省成本

* 容灾性好

平台部署在X86 集群上，机器出问题可随时切换

* 扩展性好

X86 集群可根据需要随时进行扩展，提高灵活性

* 处理效率高

当数据达到TB级别，处理效率显著提高

* 处理类型多

可以处理结构化、半结构化、非结构化数据

进一步挖掘价值

* 最新的

处理的数据量大，类型多，因而可进一步挖掘数据的价值。

是不是有很多升级的地方呢?为了支持这些升级，大数据系统需要具备哪些功能呢?这就涉及到架构问题了，继续往下看。

第三步：大数据架构

我们已经知道大数据系统由基础设施、平台和应用组成，我们现在进一步细分，请看下图：

基础设施由通过局域网或互联网连接的X86 集群组成，为大数据平台提供最基本的硬件支持。

大数据平台由基础架构、数据处理和数据服务三部分组成：

基础架构负责对基础设施进行系统管理，为数据处理提供分布式底层服务;数据处理负责数据的采集、存储、计算;数据服务负责将处理后的数据提供给上层应用使用。大数据应用是面向用户的各种应用系统，包括业务应用和数据分析。大数据系统的总体架构就是这样子，是不是跟我们平时见到的BI架构很像呢? 通过这个表格对比我们就更清楚了：

下面我们将围绕这个架构展开说明。

第四步：虚拟化

基础设施提供计算、存储、网络三种能力，是大数据平台的根基。但是如何解决以下问题：

* 大量的机器如何管理

当集群的状态改变，也即增加或者减少一些机器的时候，难道要去修改平台的配置吗?

* 如何充分利用系统资源

当集群的能力只使用了一部分，而这个时候需要一部新的机器用来部署其它系统，难道是从集群上拆下一部机器来提供吗?

* 如何解决弹性问题

当高峰期的时候，系统可能需要 20 部机器，平时只需要 10 部。那么我们是提供多少部合适呢?如果提供 20 部，平时空闲下来的 10 部如何处理?

这些问题有一种解决方法：虚拟化。就是把集群作为一个整体进行管理，可以根据需要从某些机器中调配相关资源，快速组成一部“新的机器”。例如可以用机器A的CPU1/ 2 性能、1/ 3 的内存，和机器B的1/ 5 硬盘组成。

当集群的状态改变时，我们只需要修改虚拟化软件的配置，减少对平台的影响。当集群有多余的资源时，可以虚拟出一些新的机器给其它系统使用，充分利用了系统资源。

虚拟化的主流商业软件是Vmware，开源的软件有Xen、KVM等。

第五步：云化

虚拟化虽然带来资源配置的灵活性，但也有明显的缺陷。配置一部“新的机器”需要人工操作，配置非常麻烦，最多只能管理几百台电脑的规模，作为企业内部的应用是可以的。但对于提供公众服务的互联网公司来说，需要上万部电脑的规模，通过虚拟化的方式是行不通的。所以又有了新技术的出现：云化，也即把基础设施作为一项服务提供。请看下图：

最早是亚马逊基于自身电商业务的发展，传统的IT架构已经满足不了需求，所以基于开源的虚拟化软件开发了AWS(Amazon Web Service)，可以支持超大规模的集群应用。在解决自己的业务需求后，亚马逊发现可以把这项技术作为一项单独的业务推向市场，这就是现在稳居全球市场头把交椅的的亚马逊云服务。同样的背景，阿里巴巴也基于Xen推出了市场化的阿里云，现成已经成为国内云市场的老大。由此我们也知道为什么云服务做得最早、最好的都是互联网公司了吧?因为他们有自身的业务在驱动。规模上万部的机器，以资源池(数据中心)的形式分布在不同的地域上(很多建设在广西、贵州、内蒙等欠发达省份，电费、人工比较便宜，又可以促进当地就业)，通过调度中心进行统一管理，这就是公有云平台。

在亚马逊开展商业化云服务的同时，美国另一家叫Rackspace的公司也推出OpenStack在跟亚马逊竞争。无奈竞争不过人家，最后决定和NASA(美国国家航空航天局)合作，把OpenStack开源，一起成立了开源云平台。后来各家传统的IT巨头纷纷加入这个开源的社区，经过二次开发和包装后推出了自己的私有云平台，和自家的硬件或解决方案打包一起销售。

不管是公有云，还是私有云，都是实现了基础设施的时间灵活性和空间灵活性，把基础设施作为一项服务提供，也即：Infranstracture as a Service(IaaS)

第六步：Hadoop

大数据平台的基础架构采用Hadoop，包括HDFS和MapReduce两部分：

* HDFS在集群上实现分布式文件系统，负责对文件的操作。(类似windows下的文件管理系统NTFS)

* MapReduce在集群上实现分布式计算和任务处理，负责将作业分解成多个任务，分派到多部机器一起执行，同时监控执行情况，保证每个任务都能顺利执行，所有任务结束后再将结果汇总。(类似多个人一起数图书馆的书，每个人算一个书架(Map)，最后把所有结果加在一起(Reduce))

那么，如何把Hadoop安装到集群下面那么多机器上呢?每部机器的配置、操作系统都可能不一样。

解决办法就是采用“容器“技术：先将Hadoop打包到一个封闭的容器中，再统一发布到各部机器上。容器能够根据机器实际环境做出相应的调整，保证Hadoop的顺利安装。(类似用统一规格的集装箱来运送货物)

容器的主流技术是开源的Docker。不仅仅是Hadoop可以通过容器进行安装，所有的应用都可以使用。

现在已经在集群下每部机器安装了Hadoop，那么Hadoop是如何运行的呢?请看下图：

Hadoop把集群下其中一个节点拿来当Master，其它节点当Slave。对于HDFS来说，Master就是NameNode，负责管理文件系统的命名空间和控制客户端访问;Slave就是DataNode，负责管理存储的数据。对于MapReduce来说，Master就是JobTracker，负责调度构成一个作业的所有任务，这些任务分布在不同的TaskTracker上;Slave就是TaskTracker，负责执行由JobTracker指派的任务。

Hadoop已经衍生出很多不同的升级版本，目前应用最成熟、最广泛的是Spark。

第七步：数据处理

数据处理是对数据的采集、存储和计算。因为大数据有各种各样的应用，不同的应用，数据的种类、结构，数据的实时性要求都可能不同。所以要根据实际情况进行数据库选型，这是大数据平台设计的关键，将影响到整个平台的整体性能。不同的数据库类型可以进行混搭，同时采用不同的ETL技术。

目前常见的各种数据库类型如下：

* 传统数据库

主流数据库有Oracle、DB2、MySQL，主要应用于小规模应用系统，或者为了利用已有的资源，同时降低系统升级的风险，采用的ETL技术是Datastage、Kettle等。

* 内存数据库

主流数据库有SQLite、HANA，主要应用于对实时性要求高，需要实时处理的数据，如实时指标展示，精准营销等，采用的ETL技术是流处理技术kafka。

* MPP数据库

MPP是指大规模并行处理，MPP数据库支持X86 集群，常见的有Greanplum、Vertica等，主要应用于大规模结构化数据分析，如信令分析、DPI分析，一般采用Kettle作为ETL工具。

* NoSQL数据库

NoSQL是指半结构化或非结构化数据库，主流的数据库有MongoDB、HBase和HDFS等，HBase用来存储半结构化或结构很稀疏的数据，HDFS用来存储非结构化数据。HBase和HDFS都不支持SQL，需要使用Hive作为SQL接口执行一些简单的查询操作。NoSQL数据库基于Hadoop平台，主要应用于大规模半/非结构化离线分析，例如互联网数据分析、文档分析等，一般采用网络爬虫技术进行ETL。

第八步：数据服务

经过处理后的数据，一般不提供给上层应用直接用SQL访问，这一点与数据仓库不同。数据仓库把采集过来的数据经过处理后存储在汇总层，上层应用直接用SQL访问。但大数据平台把处理后的数据进行封装和分类，为上层应用提供可灵活调用的数据服务接口，可以保证数据访问的规范性和安全性。接口的承载方式有：文件、消息、API、SDK、界面集成，其流程如下：

* 数据格式化

对原始数据进行格式化，过滤字段并进行排序。

* 数据封装

对格式化后的数据及其元数据进行封装，以实现对外一致、标准化的数据访问接口。

* 数据分类

根据封装后的数据，按主题进行接口分类。

* 数据服务

上层应用可通过数据服务接口调用数据，实现数据的服务功能。

数据服务接口屏蔽掉大数据平台的所有细节，把平台作为一项服务提供给应用使用，这种方式称之为Platform as a service(PaaS)。

在公有云提供商中，一般都会有对应的PaaS服务提供，如阿里云的EDAS(企业级分布式应用服务)。

私有云是企业自建，对数据访问的控制没那么严格。为了开发效率，应用通常可以通过SQL直接访问数据。

第九步：大数据应用

前面已经为大家介绍了基础设施和大数据平台，也介绍了私有云和公有云的区别。对于大数据应用来说，私有云上的应用，就是我们平时说的企业信息化系统，只不过这些系统是采用大数据的架构。而公有云上的应用，指的是我们平时使用的互联网服务，如微信、微博、支付宝等。但是，随着云服务市场的发展，越来越多的传统IT厂商也通过公有云为公众提供服务，比如我们熟悉的 MicrosoftOffice 365。这种把软件作为服务提供的方式称之为：Software as a Service(SaaS)。

在国际市场，比较常见的企业级SaaS服务有客户管理服务Saleforce、团队协同服务Google Apps等等。国内市场的金蝶、微软、Oracle也都提供多种SaaS产品和服务。我们可以看一下IDC对2017- 2022 年中国公有云整体市场的预测(单位：百万美元)：