大数据平台架构包含哪些功能

Posted 2023-03-29 梯度科技

为了满足企业对于数据的各种需求，需要基于大数据技术构建大数据平台。结合大数据在企业的实际应用场景，如下图所示的大数据平台架构所示：

 最上层为应用提供数据服务与可视化，解决企业实际问题。第2层是大数据处理核心，包含数据离线处理和实时处理、数据交互式分析以及机器学习与数据挖掘。第3 层是资源管理，为了支撑数据的处理，需要统一的资源管理与调度。第4层是数据存储，存储是大数据的根基，大数据处理框架都构建在存储的基础之上。第5层是数据获取，无论是数据存储还是数据处理，前提都是快速、高效地获取数据。

一、数据获取

大数据技术的核心是众多数据中挖掘价值，第一步需要做的就是弄清楚有什么样的数据、如何获取数据。在企业运行的过程中，特别是互联网企业，会产生各种各样的数据，如果企业不能正确获取数据或没有获取数据的能力，就无法挖掘出数据中的价值，浪费了宝贵的数据资源。数据从总体上可以分为结构化数据和非结构化数据。数据的来源不同、格式不同，获取数据所使用的技术也不同。Web 网站的很多数据来自用户的点击，可以使用低侵入的浏览器探针技术采集用户浏览数据、使用爬虫技术获取网页数据、使用组件Canal采集mysql数据库的binlog日志，以及使用组件Flume采集Web服务器的日志数据。数据获取之后，为了方便不同应用消费数据，可以将数据存入Kafka消息中间件。

二、数据存储

存储是所有大数据技术组件的基础，存储的发展远远低于 CPU 和内存的发展，虽然硬盘存储容量多年来在不断地提升，但是硬盘的访问速度却没有与时俱进。所以对于大数据开发人员来说，对大数据平台的调优很多情况下主要集中在对磁盘I/O的调优。

三、数据处理

有了数据采集和数据存储系统，可以对数据进行处理。对于大数据处理按照执行时间的跨度可以分为∶离线处理和实时处理。

●离线处理，批量处理，用于时长跨越大、处理复杂数据。

●实时处理，流处理，用于处理实时数据流，通常数据处理的时间跨度在数百毫秒到数秒之间。

四、交互式分析

在实际应用中，经常需要对离线或实时处理后的历史数据，根据不同的条件进行多维分析查询并及时返回结果，这时就需要交互式分析。交互式分析是在历史数据上查询，因为是查询应用，所以交互式查询通常具有以下特点：

● 低延时

● 查询条件复杂

● 返回结果数据量小

● 查询范围大

● 并发数要求高

● 需要支持SQL等接口

五、机器学习与数据挖掘

在利用大数据技术对海量数据进行分析的过程中，常规的数据分析可以使用离线分析、实时分析和交互式分析，复杂的数据分析需要利用数据挖掘和机器学习的方法。

目前，使用较多、比较成熟的机器学习库是Spark框架中的Spark ML，大数据开发人员可以直接利用Spark ML 进行数据挖掘。当然也可以使用Flink框架中的Flink ML，不过Flink ML还在发展过程中，有待成熟和完善。

六、资源管理

资源管理的本质是集群、数据中心级别资源的统一管理和分配。首要解决的是多租户、弹性伸缩、动态分配等问题。

为了应对数据处理的各种应用场景，出现了很多大数据处理框架（如 MapReduce、Hive、Spark、Flink、JStorm等），相应地，也存在着多种应用程序与服务（如离线作业、实时作业等）。为了避免服务和服务之间、任务和任务之间的相互干扰，传统的做法是为每种类型的作业或服务搭建一个单独的集群。在这种情况下，由于每种类型作业使用的资源量不同，有些集群的利用率不高，而有些集群则满负荷运行、资源紧张。

为了提高集群资源利用率、解决资源共享问题，YARN在这种应用场景下应运而生。YARN资源管理系统对集群中的资源进行管理和调度。在实际企业应用中，一般都会将各种大数据处理框架部署到YARN集群上，方便资源的统一调度与管理。

以下哪些属于集中化大数据平台外部采集数据

如何从0到1搭建大数据平台
大数据时代这个词被提出已有10年了吧，越来越多的企业已经完成了大数据平台的搭建。随着移动互联网和物联网的爆发，大数据价值在越来越多的场景中被挖掘，随着大家都在使用欧冠大数据，大数据平台的搭建门槛也越来越低。借助开源的力量，任何有基础研发能力的组织完全可以搭建自己的大数据平台。但是对于没有了解过大数据平台、数据仓库、数据挖掘概念的同学可能还是无法顺利完成搭建，因为你去百度查的时候会发现太多的东西，和架构，你不知道如何去选择。今天给大家分享下大数据平台是怎么玩的。

00 架构总览

通常大数据平台的架构如上，从外部采集数据到数据处理，数据显现，应用等模块。

01 数据采集

用户访问我们的产品会产生大量的行为日志，因此我们需要特定的日志采集系统来采集并输送这些日志。Flume是目前常用的开源选择，Flume是Cloudera提供的一个高可用的，高可靠的，分布式的海量日志采集、聚合和传输的系统，Flume支持在日志系统中定制各类数据发送方，用于收集数据；同时，Flume提供对数据进行简单处理，并写到各种数据接受方的能力。

02 数据存储

无论上层采用何种的大规模数据计算引擎，底层的数据存储系统基本还是以HDFS为主。HDFS（Hadoop Distributed File System）是Hadoop项目的核心子项目，是分布式计算中数据存储管理的基础。具备高容错性、高可靠、高吞吐等特点。

HDFS存储的是一个个的文本，而我们在做分析统计时，结构化会方便需要。因此，在HDFS的基础上，会使用Hive来将数据文件映射为结构化的表结构，以便后续对数据进行类SQL的查询和管理。

03 数据处理

数据处理就是我们常说的ETL。在这部分，我们需要三样东西：计算引擎、调度系统、元数据管理。

对于大规模的非实时数据计算来讲，目前一样采用Hive和spark引擎。Hive是基于MapReduce的架构，稳定可靠，但是计算速度较慢；Spark则是基于内存型的计算，一般认为比MapReduce的速度快很多，但是其对内存性能的要求较高，且存在内存溢出的风险。Spark同时兼容hive数据源。从稳定的角度考虑，一般建议以Hive作为日常ETL的主要计算引擎，特别是对于一些实时要求不高的数据。Spark等其他引擎根据场景搭配使用。

实时计算引擎方面，目前大体经过了三代，依次是：storm、spark streaming、Flink。Flink已被阿里收购，大厂一直在推，社区活跃度很好，国内也有很多资源。

调度系统上，建议采用轻量级的Azkaban，Azkaban是由Linkedin开源的一个批量工作流任务调度器。https://azkaban.github.io/

一般需要自己开发一套元数据管理系统，用来规划数据仓库和ETL流程中的元数据。元数据分为业务元数据和技术元数据。

业务元数据，主要用于支撑数据服务平台Web UI上面的各种业务条件选项，比如，常用的有如下一些：移动设备机型、品牌、运营商、网络、价格范围、设备物理特性、应用名称等。这些元数据，有些来自于基础数据部门提供的标准库，比如品牌、价格范围等，可以从对应的数据表中同步或直接读取；而有些具有时间含义的元数据，需要每天通过ETL处理生成，比如应用信息。为支撑应用计算使用，被存储在MySQL数据库中；而对于填充页面上对应的条件选择的数据，则使用Redis存储，每天/月会根据MySQL中的数据进行加工处理，生成易于快速查询的键值对类数据，存储到Redis中。
技术元数据，主要包括数据仓库中的模型说明、血缘关系、变更记录、需求来源、模型字段信息等，详细的可以查看数据分析师应该了解的数据仓库(3)

04 数据流转
通过上面一张图了解数据采集，数据处理，到数据展现的数据流转。通常我们在实际工作中，从数据源到分析报告或系统应用的过程中，主要包括数据采集同步、数据仓库存储、ETL、统计分析、写入上层应用数据库进行指标展示。这是最基础的一条线，现在还有基于数据仓库进行的数据分析挖掘工作，会基于机器学习和深度学习对已有模型数据进一步挖掘分析，形成更深层的数据应用产品。

05 数据应用
俗话说的好，“酒香也怕巷子深”。数据应用前面我们做了那么多工作为了什么，对于企业来说，我们做的每一件事情都需要体现出价值，而此时的数据应用就是大数据的价值体现。数据应用包括辅助经营分析的一些报表指标，商城上基于用户画像的个性化推送，还有各种数据分析报告等等。

数据采集系统
01 “大”数据

海量的数据

当你需要搭建大数据平台的时候一定是传统的关系型数据库无法满足业务的存储计算要求了，所以首先我们面临的是海量的数据。

复杂的数据

复杂数据的概念和理想数据完全相反。所有数据集都有一定的复杂性，但有一些天生更难处理。通常这些复杂数据集没有定义结构(没有行列结构)，经常变化，数据质量很差。比如更新的网页日志，json数据，xml数据等。

高速的数据

高速数据通常被认为是实时的或是准实时的数据流。数据流本质上是在生成后就发给处理器的数据包，比如物联网的穿戴设备，制造业的传感器，车联网的终端芯片等等。处理实时数据流有很多挑战，包括在采集时不丢失数据、处理数据流中的重复记录、数据如何实时写入磁盘存储、以及如何进行实时分析。

02 采集工具
日志采集

我们业务平台每天都会有大量用户访问，会产生大量的访问日志数据，比如电商系统的浏览，加入购物车，下订单，付款等一系列流程我们都可以通过埋点获取到用户的访问路径以及访问时长这些数据；再比智能穿戴设备，实时都会采集我们的血压、脉搏、心率等数据实时上报到云端。通过分析这些日志信息，我们可以得到出很多业务价值。通过对这些日志信息进行日志采集、收集，然后进行数据分析，挖掘公司业务平台日志数据中的潜在价值。为公司决策和公司后台服务器平台性能评估提高可靠的数据保证。系统日志采集系统做的事情就是收集日志数据提供离线和在线的实时分析使用。目前常用的开源日志收集系统有Flume、Logstash、Filebeat。可以根据自己公司的技术栈储备或者组件的优缺点选择合适的日志采集系统，目前了解到的Flume使用的比较多。各个采集工具的对比如下：

具体组件的相关配置可以参考之前的文章《日志收集组件—Flume、Logstash、Filebeat对比》

数据库抽取

企业一般都会会使用传统的关系型数据库MySQL或Oracle等来存储业务系统数据。每时每刻产生的业务数据，以数据库一行记录的形式被直接写入到数据库中保存。

大数据分析一般是基于历史海量数据，多维度分析，我们不能直接在原始的业务数据库上直接操作，因为分析的一些复杂SQL查询会明显的影响业务数据库的效率，导致业务系统不可用。所以我们通常通过数据库采集系统直接与企业业务后台数据库服务器结合，在业务不那么繁忙的凌晨，抽取我们想要的数据到分析数据库或者到HDFS上，最后有大数据处理系统对这些数据进行清洗、组合进行数据分析。

常用数据库抽取工具：

阿里开源软件：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。开源的DataX貌似只能单机部署。

Apache开源软件：Sqoop
Sqoop(发音:skup)是一款开源的工具，主要用于在HADOOP(Hive)与传统的数据库(mysql、postgresql...)间进行数据的传递，可以将一个关系型数据库(例如 : MySQL ,Oracle ,Postgres等)中的数据导进到Hadoop的HDFS中，也可以将HDFS的数据导进到关系型数据库中。可以集群化部署。

爬虫爬取

有很多外部数据，比如天气、IP地址等数据，我们通常会爬取相应的网站数据存储。目前常用的爬虫工具是Scrapy，它是一个爬虫框架，提供给开发人员便利的爬虫API接口。开发人员只需要关心爬虫API接口的实现，不需要关心具体框架怎么爬取数据。Scrapy框架大大降低了开发人员开发速率，开发人员可以很快的完成一个爬虫系统的开发。

03 数据存储
HDFS

2003年，Google发布论文GFS，启发Apache Nutch开发了HDFS。2004年，Google 又发布了论文《MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters》，Doug Cutting等人实现计算框架MapReduce ，并与HDFS结合来更好的支持该框架。2006年项目从Butch搜索引擎中独立出来，成为了现在的Hadoop。

GFS隐藏了底层的负载均衡，切片备份等细节，使复杂性透明化，并提供统一的文件系统接口。其成本低，容错高，高吞吐，适合超大数据集应用场景。

HDFS原理:横向扩展，增加“数据节点”就能增加容量。
增加协调部门，“命名节点”维护元数据，负责文件系统的命名空间，控
外部访问，将数据块映射到数据节点。还会备份元数据从命名节点，它只与命名节点通信。
数据在多个数据节点备份。
通常关系型数据库存储的都是结构化的数据，我们抽取后会直接放到HDFS上作为离线分析的数据源。

HBase

在实际应用中，我们有很多数据可能不需要复杂的分析，只需要我们能存储，并且提供快速查询的功能。HBase在HDFS基础上提供了Bigtable的能力; 并且基于列的模式进行存储。列存储设计的优势是减少不必要的字段占用存储，同时查询的时候也可以只对查询的指定列有IO操作。HBase可以存储海量的数据，并且可以根据rowkey提供快速的查询性能，是非常好的明细数据存储方案，比如电商的订单数据就可以放入HBase提供高效的查询。

当然还有其他的存储引擎，比如ES适合文本搜索查询等。

04 总结
了解了上面的技术栈后，在实际数据接入中，你还会面临各种问题，比如如何考虑确保数据一致性，保障数据不能丢失，数据采集存储的效率，不能产生数据积压等，这些都需要对每个组件进行研究，适配适合你自己业务系统的参数，用最少的资源，达到最好的结果。

调度系统
目前大数据平台经常会用来跑一些批任务，跑批处理当然就离不开定时任务。比如定时抽取业务数据库的数据，定时跑hive/spark任务，定时推送日报、月报指标数据。任务调度系统已经俨然成为了大数据处理平台不可或缺的一部分，可以说是ETL任务的灵魂。

01 原始任务调度

记得第一次参与大数据平台从无到有的搭建，最开始任务调度就是用的Crontab，分时日月周，各种任务脚本配置在一台主机上。Crontab 使用非常方便，配置也很简单。刚开始任务很少，用着还可以，每天起床巡检一下日志。随着任务越来越多，出现了任务不能在原来计划的时间完成，出现了上级任务跑完前，后面依赖的任务已经起来了，这时候没有数据，任务就会报错，或者两个任务并行跑了，出现了错误的结果。排查任务错误原因越来麻烦，各种任务的依赖关系越来越复杂，最后排查任务问题就行从一团乱麻中，一根一根梳理出每天麻绳。crontab虽然简单，稳定，但是随着任务的增加和依赖关系越来越复杂，已经完全不能满足我们的需求了，这时候就需要建设自己的调度系统了。

02 调度系统
调度系统，关注的首要重点是在正确的时间点启动正确的作业，确保作业按照正确的依赖关系及时准确的执行。资源的利用率通常不是第一关注要点，业务流程的正确性才是最重要的。（但是到随着业务的发展，ETL任务越来越多，你会发现经常有任务因为资源问题没有按时启动！）

实际调度中，多个任务单元之间往往有着强依赖关系，上游任务执行并成功，下游任务才可以执行。比如上游任务1结束后拿到结果，下游任务2、任务3需结合任务1的结果才能执行，因此下游任务的开始一定是在上游任务成功运行拿到结果之后才可以开始。而为了保证数据处理结果的准确性，就必须要求这些任务按照上下游依赖关系有序、高效的执行，最终确保能按时正常生成业务指标。

一款成熟易用，便于管理和维护的作业调度系统，需要和大量的周边组件对接，要处理或使用到包括：血缘管理，权限控制，负载流控，监控报警，质量分析等各种服务或事务。

03 调度系统分类
调度系统一般分为两类：定时分片类作业调度系统和DAG工作流类作业调度系统

定时分片类作业调度系统

这种功能定位的作业调度系统，其最早的需要来源和出发点往往是做一个分布式的Crontab。

核心：

将一个大的任务拆成多个小任务分配到不同的服务器上执行， 难点在于要做到不漏，不重，保证负载平衡，节点崩溃时自动进行任务迁移等。
保证任务触发的强实时和可靠性
所以，负载均衡，弹性扩容，状态同步和失效转移通常是这类调度系统在架构设计时重点考虑的特性。

DGA工作流调度系统

这一类系统的方向，重点定位于任务的调度依赖关系的正确处理，分片执行的逻辑通常不是系统关注的核心，或者不是系统核心流程的关键组成部分。

核心：

足够丰富和灵活的依赖触发机制：比如时间触发任务，依赖触发任务，混合触发任务
作业的计划，变更和执行流水的管理和同步
任务的优先级管理，业务隔离，权限管理等
各种特殊流程的处理，比如暂停任务，重刷历史数据，人工标注失败／成功，临时任务和周期任务的协同等
完备的监控报警通知机制
04 几个调度系统
Airflow

Apache Airflow是一种功能强大的工具，可作为任务的有向无环图（DAG）编排、任务调度和任务监控的工作流工具。Airflow在DAG中管理作业之间的执行依赖，并可以处理作业失败，重试和警报。开发人员可以编写Python代码以将数据转换为工作流中的操作。

主要有如下几种组件构成：

web server: 主要包括工作流配置，监控，管理等操作
scheduler: 工作流调度进程，触发工作流执行，状态更新等操作
消息队列：存放任务执行命令和任务执行状态报告
worker: 执行任务和汇报状态
mysql: 存放工作流，任务元数据信息
具体执行流程：

scheduler扫描dag文件存入数据库，判断是否触发执行
到达触发执行时间的dag,生成dag_run，task_instance 存入数据库
发送执行任务命令到消息队列
worker从队列获取任务执行命令执行任务
worker汇报任务执行状态到消息队列
schduler获取任务执行状态，并做下一步操作
schduler根据状态更新数据库
Kettle

将各个任务操作组件拖放到工作区，kettle支持各种常见的数据转换。此外，用户可以将Python，Java，JavaScript和SQL中的自定义脚本拖放到画布上。kettle可以接受许多文件类型作为输入，还可以通过JDBC，ODBC连接到40多个数据库，作为源或目标。社区版本是免费的，但提供的功能比付费版本少。

XXL-JOB

XXL-JOB是一个分布式任务调度平台，其核心设计目标是开发迅速、学习简单、轻量级、易扩展。将调度行为抽象形成“调度中心”公共平台，而平台自身并不承担业务逻辑，“调度中心”负责发起调度请求；将任务抽象成分散的JobHandler，交由“执行器”统一管理，“执行器”负责接收调度请求并执行对应的JobHandler中业务逻辑；因此，“调度”和“任务”两部分可以相互解耦，提高系统整体稳定性和扩展性。（后来才知道XXL是作者名字拼音首字母缩写）

调度系统开源工具有很多，可以结合自己公司人员的熟悉程度和需求选择合适的进行改进。

海豚调度

Apache DolphinScheduler是一个分布式去中心化，易扩展的可视化DAG工作流任务调度平台。致力于解决数据处理流程中错综复杂的依赖关系，使调度系统在数据处理流程中开箱即用。

高可靠性
去中心化的多Master和多Worker服务对等架构, 避免单Master压力过大，另外采用任务缓冲队列来避免过载
简单易用
DAG监控界面，所有流程定义都是可视化，通过拖拽任务完成定制DAG，通过API方式与第三方系统集成, 一键部署
丰富的使用场景
支持多租户，支持暂停恢复操作. 紧密贴合大数据生态，提供Spark, Hive, M/R, Python, Sub_process, Shell等近20种任务类型
高扩展性
支持自定义任务类型，调度器使用分布式调度，调度能力随集群线性增长，Master和Worker支持动态上下线
05 如何自己开发一个调度系统
调度平台其实需要解决三个问题：任务编排、任务执行和任务监控。

任务编排，采用调用外部编排服务的方式，主要考虑的是编排需要根据业务的一些属性进行实现，所以将易变的业务部分从作业调度平台分离出去。如果后续有对编排逻辑进行调整和修改，都无需操作业务作业调度平台。
任务排队，支持多队列排队配置，后期根据不同类型的开发人员可以配置不同的队列和资源，比如面向不同的开发人员需要有不同的服务队列，面向不同的任务也需要有不同的队列优先级支持。通过队列来隔离调度，能够更好地满足具有不同需求的用户。不同队列的资源不同，合理的利用资源，达到业务价值最大化。
任务调度，是对任务、以及属于该任务的一组子任务进行调度，为了简单可控起见，每个任务经过编排后会得到一组有序的任务列表，然后对每个任务进行调度。这里面，稍有点复杂的是，任务里还有子任务，子任务是一些处理组件，比如字段转换、数据抽取，子任务需要在上层任务中引用实现调度。任务是调度运行的基本单位。被调度运行的任务会发送到消息队列中，然后等待任务协调计算平台消费并运行任务，这时调度平台只需要等待任务运行完成的结果消息到达，然后对作业和任务的状态进行更新，根据实际状态确定下一次调度的任务。
调度平台设计中还需要注意以下几项：

调度运行的任务需要进行超时处理，比如某个任务由于开发人员设计不合理导致运行时间过长，可以设置任务最大的执行时长，超过最大时长的任务需要及时kill掉，以免占用大量资源，影响正常的任务运行。
控制同时能够被调度的作业的数量，集群资源是有限的，我们需要控制任务的并发量，后期任务上千上万后我们要及时调整任务的启动时间，避免同时启动大量的任务，减少调度资源和计算资源压力；
作业优先级控制，每个业务都有一定的重要级别，我们要有限保障最重要的业务优先执行，优先给与调度资源分配。在任务积压时候，先执行优先级高的任务，保障业务影响最小化。
06 总结与展望
ETL 开发是数据工程师必备的技能之一，在数据仓库、BI等场景中起到重要的作用。但很多从业者连 ETL 对应的英文是什么都不了解，更不要谈对 ETL 的深入解析，这无疑是非常不称职的。做ETL 你可以用任何的编程语言来完成开发，无论是 shell、python、java 甚至数据库的存储过程，只要它最终是让数据完成抽取（E）、转化（T）、加载（L）的效果即可。由于ETL是极为复杂的过程，而手写程序不易管理，所以越来越多的可视化调度编排工具出现了。

调度系统作为大数据平台的核心部分之一，牵扯的业务逻辑比较复杂，场景不同，也许需求就会差别很多，所以，有自研能力的公司都会选择市面上开源系统二次开发或者完全自研一套调度系统，已满足自身ETL任务调度需求。

不管是哪种工具，只要具备高效运行、稳定可靠、易于维护特点，都是一款好工具 参考技术A 1、 数据库采集
传统企业会使用传统的关系型数据库MySQL和Oracle等来存储数据。 随着大数据时代的到来，Redis、MongoDB和HBase等NoSQL数据库也常用于数据的采集。企业通过在采集端部署大量数据库，并在这些数据库之间进行负载均衡和分片，来完成大数据采集工作；

2、 系统日志采集
系统日志采集主要是收集公司业务平台日常产生的大量日志数据，供离线和在线的大数据分析系统使用。 高可用性、高可靠性、可扩展性是日志收集系统所具有的基本特征。系统日志采集工具均采用分布式架构，能够满足每秒数百MB的日志数据采集和传输需求；

3、 网络数据采集
网络数据采集是指通过网络爬虫或网站公开API等方式从网站上获取数据信息的过程。 网络爬虫会从一个或若干初始网页的URL开始，获得各个网页上的内容，并且在抓取网页的过程中，不断从当前页面上抽取新的URL放入队列，直到满足设置的停止条件为止。 这样可将非结构化数据、半结构化数据从网页中提取出来，存储在本地的存储系统中；

4、 感知设备数据采集
感知设备数据采集是指通过传感器、摄像头和其他智能终端自动采集信号、图片或录像来获取数据。 大数据智能感知系统需要实现对结构化、半结构化、非结构化的海量数据的智能化识别、定位、跟踪、接入、传输、信号转换、监控、初步处理和管理等。其关键技术包括针对大数据源的智能识别、感知、适配、传输、接入等。以上四点属于集中化大数据平台外部采集数据。 参考技术B 分别是端上数据、开放数据、其他平台的数据、物理数据，都属于集中化大数据平台外部数据采集。