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《大数据技术原理与应用》 期末复习

桂林电子科技大学 大数据课程 复习笔记
考试范围
教材:《大数据技术原理与应用》第三版 林子雨
第1章:大数据概述 🎉
第2章:大数据处理架构Hadoop 🎉
第3章:分布式文件系统HDFS 🎉
第4章:分布式数据库HBase🎉
第5章:NoSQL数据库🎉
第7章:MapReduce🎉
第10章:Spark🎉
第11章:流计算(Storm)🎉

第1章 大数据概述

重要知识点:
1、大数据的4V
数据量大:在Web2.0时代、网络用户数目极大,在视频、照片社交软件火热的今天,用户产生的数据量非常大。
数据类型繁多:有金融大数据、医疗大数据、城市大数据等等。
处理速度快:1分钟,新浪微博产生2万条微博,Twitter产生10万条推文。
价值密度低:例如监控视频的存储,没有调取监控视频用时可能价值并没有体现,但在使用时可能会产生很大的价值。

2、大数据的应用
智能汽车、能源、体育与娱乐等等、大数据应用非常广泛。

3、大数据关键技术
数据采集与预处理、数据存储和管理(HDFS)、数据处理与分析(如MapReduce)、数据安全和隐私保护。

4、大数据计算模式
批处理计算:对大规模数据的批量处理 (MapReduce、Spark)
流计算:针对流数据的实时计算(Spark)
图计算:针对大规模图结构的数据的处理
查询分析计算:大规模数据的存储管理和查询分析(Hive)

5、大数据与云计算、物联网的关系

云计算为大数据提供技术基础、大数据为云计算提供用武之地。
物联网是大数据的重要来源、大数据技术为物联网数据分析提供支撑。
云计算为物联网提供海量数据存储能力,物联网为云计算技术提供了广阔的应用控件。

第2章 大数据处理架构Hadoop

1、Hadoop的核心
HDFS是分布式文件存储系统(Hadoop Distributed File System) 、也是Hadoop的核心。

2、Hadoop的特性
高可靠性 、高效性、高可扩展性 、高容错性 、成本低 、支持操作系统与编程语言广泛

3、HDFS常用命令
创建文件夹(-p 递归创建) hadoop fs -mkdir -p /user/hadop
显示文件内容 hadoop fs -cat hdfs文件
文件上传 hadoop fs -put 本地 hdfs文件
删除文件夹 hadoop fs -rm -r hdfs文件夹
删除文件 hadoop fs -rm hdfs文件
切换目录:cd
查看文件与目录:ls -R(-R在hdfs为递归查看)
删除空目录:rmdir
复制文件或目录:cp
裁剪:mv
创建文件:touchz
拉取文件 get

第3章 分布式系统 HDFS

1、 HDFS计算机集群结构
分布式文件系统把文件分布存储到多个计算机节点上、成千上万的计算机节点构成计算机集群。

2、 HDFS的结构
一个默认块大小为64MB,如果一个文件小于一个数据块的大小,在分布式文件系统,它并不占用整个数据块的存储空间。
名称节点负责文件和目录的创建、删除、和重命名等,同时管理着数据节点和文件快的映射关系。
数据节点负责数据的存储和读取,在存储时,由名称节点分配存储文职,客户端将数据直接写入相应数据节点。
为了保证数据的完整性,文件块会被赋值为多个副本存储到多个不同的节点上,而存储同一文件块的不同副本又会分布在不同的机架上。

3、 HDFS特点
优点:
兼容廉价的设备硬件。
流数据读写:支持流式方式来访问文件。
大数据集:单个文件可达到GB甚至TB级别
简单的文件模型:一次写入,多次读取。
强大的跨平台兼容性。
缺点:
不适合低延迟数据访问。
无法高效存储大量小文件。
不支持多用户写入及任意修改文件。

4、 HDFS的相关概念(重点)
重点:块、名称节点和数据节点与第二名称节点。
:HDFS文件块的大小默认为64MB,一个文件会被拆分为多个块进行存储。(相关知识点:MapReduce中的Map任务一次只能处理一块中的数据。)
采用块抽象化的好处:支持大规模文件存储、简化系统设计、设和数据备份。
名称节点负责管理分布式文件系统的命名空间,保存了FsImage和EditLog.
FsImage用于维护文件系统树以及文件树中所有的文件和问价夹的元数据。
EditLog(操作日志文件)记录了所有针对文件的创建、删除、重命名、等操作。
名称节点存储文件名与文件在数据节点中的位置的映射关系、但并不是持久化存储在名称节点,而是当名称节点启动时扫描分布式文件系统得到的。
名称节点启动将FsImage加载到内存-> 重新执行EditLog->建立新的空FsImage和EditLog->工作记录时使用新的FsImage和EditLog当变大后系统写入到总的FsImage和EditLog内(工作模式请看第二名称节点)

数据节点 负责数据的存储和读取,根据客户端和名称节点的调度进行数据的存储和检索。也会定时向名称节点汇报自己的存储块列表信息。

第二名称节点:
功能:完成FsImage和EditLog的合并操作,减小EditLog文件大小。
EditLog和FsImage的合并操作:
在这里插入图片描述

5、 HDFS体系结构
主从结构
客户端向名称节点请求文件名或者数据块号,名称节点将数据块号、数据块位置发送至客户端。
客户端与数据节点通信进行数据的读写操作。HDFS集群只有一个名称节点,其带宽、计算性能会影响整个系统的性能。

HDFS命名空间管理
HDFS集群只有一个命名空间,即/ some/some /some /some… ,向Linux的文件目录结构一样。

通信协议
HDFS通信协议建立在TCP/IP基础之上。
名称节点与数据节点采用数据节点协议进行交互。
客户端与数据节点交互通过远程过程调用(RPC)

HDFS体系结构局限性
命名空间限制、性能瓶颈(原因靠名称节点)、隔离问题(一个命名空间、和一个名称节点无法做到读写权限分配等)、集群可用性(一个名称节点)

6、 HDFS的存储原理
多副本冗余存储,加快了数据传输的速率、容易检查数据错误、保证数据的可靠性。

存放策略
HDFS默认的冗余复制因子是3,每一个文件块被保存到3个地方。
(1) 如果是集群内发起的写操作,则把第1个副本放置发起写操作请求的数据节点上,实现就近写入数据,如果集群外发起写操作,则在集群内选一个磁盘空间充足且CPU不太忙的数据节点,做为第1个副本的存放位置。
(2) 第2个副本被放置在与第1个副本不同的机架的数据节点上。
(3) 第3个副本会被放置在与第1个副本相同的机架的其他节点上。
(4) 如果还有更多的副本、则继续从集群中随机选择数据节点进行存放。

在这里插入图片描述

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读取策略
客户端请求名称节点获取文件块不同副本的存储位置,由客户端确定从哪里获取文件块。

数据复制
文件在客户端被切分成多个块,名称节点返回数据节点列表。
客户端向一个数据节点写入,同时把数据节点列表传给第一个数据节点,当第一个节点接收数据大小4KB时并像列表第二个数据接待你发起写请求,将数据写入第二个数据节点、当第二个数据节点接收到4KB时向第三个数据节点执行类似操作。最后当文件写完时,数据的复制也同时完成了。

名称节点出错补救方案
一:远程挂载到NFS上
二:运行一个第二名称节点,能够进行有限的补救(第二名称节点中由FsImage和EditLog),但还是会可能遗失拉去FsImage和EditLog后,名称节点的一系列操作。
数据节点出错补救方案
数据节点定期向名称节点发起”心跳“,没有”心跳”时,名称节点不再向其分配读写任务,且一旦发现某些块的复制因子小了,名称节点又会安排任务,进行文件块复制。
数据出错
客户端采用MD5和SHA-1校验,出错将向名称节点汇报,请求其他副本,名称节点也会定期检查块。

第4章 分布式数据库HBase

1、HBase是什么?
一个高可靠、高性能、面向列、可伸缩的分布式数据库。
2、HBase与Hadoop其他部分关系。
使用MapReduce处理海量数据,ZooKeeper作为协同服务。HDFS底层数据存储。Pig和Hive提供高级语言支持。
3、HBase与传统数据库对比。
数据类型:采用未经解释的字符串。
数据操作:行键查询、只有简单的插入、查询、删除、清空等。
存储模式:列式存储。
数据索引:行键索引。
数据维护:并不删除原来的数据。
横向可伸缩性:面向列存储。
缺陷:不支持事务、无法实现跨行原子性。
4、HBase数据模型
行键:任意字符串,最大64KB。
列族、列限定符(列名,不需要提前定义好)。
单元格,每个单元格可以存储多个版本、每个版本对应一个时间戳。
事件戳:每次对单元格执行操作,HBase会隐式自动生成并存储一个时间戳。
数据坐标:[行键、列族、列限定符、时间戳]
5、概念视图与物理视图
概念视图:逻辑模型,认为规定建立。
在这里插入图片描述

物理视图:
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在物理视图中,空的列并不会被存储为null,而是不会存储,当请求空白的单元格时返回null。

6、 面向列的存储
从严格的关系数据库角度来看,HBase并不是一个列式存储的数据库,HBase是以列族为单位进行分解的,而不是每个列都单独存储。

7、 HBase实现原理
与HDFS具有很多相似之处、有一个Master节点负责HBase表的分区信息,表被分为Region存储到多个Region服务器,Master会检测Region服务器 工作状态、负责性能均衡。客户端并不从Master获得数据,从ZooKeeper获得Region位置,从Region服务器中拉取数据。

8、 表和Region、Region的定位

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9、 HBase系统架构
客户端:缓存Region位置、与Master进行RPC通信、与Region服务器RPC通信进行数据的读写。
Zookeeper服务器:通常由集群组成,每个Region服务器要到Zookeeper服务器注册,Zookeeper实时监控Region,Master通过Zookeeper感知Region服务器状态。
Master服务器:管理用户对表操作、Region服务器的负载均衡、Region分裂与合并、Region迁移(如有Region服务器故障时)
Region服务器:Region存储、向客户端提供访问接口。

10、 Region服务器工作原理
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第5章 NoSQL数据库

1、 NoSQL特点
灵活的可扩展性、灵活的数据模型、与云计算紧密耦合。

2、 NoSQL与Web2.0
无法满足海量数据的管理需求、无法满足高并发的需求、无法满足高可扩展性和高可复用性的要求。
Web2.0网站系统通常不需要严格的数据库事务、并不要求严格的读写实时性、通常不包含大量复杂的SQL查询。

3、 NoSQL的四大类型
键值数据库、列族数据库、文档数据库、图数据库。

4、 NoSQL三大基石,CAP、BASE、最终一致性。
C (Consistency) :一致性,指任何一个读操作总是能够读到之前完成的写操作的结果,在分布式环境中、多点数据是一致的。
A(Availability):可用性。指快速获取数据,且可以在确定的时间内返回操作结果。
P(tolerance of network partition):分区容忍性,当出现网络分区的情况,分离的系统可以正常运行。

组合:
CA 强调一致性和可用性,可扩展性较差。
CP 强调一致性和分区容忍性,当出现网络分区的情况时,受影响的服务需要的等待数据一致,因此在等待期间就无法对外提供服务。
AP 在采用AP设计时,可以不完全放弃一致性,转而采用最终一致性。

BASE
A(atomicity)原子性:对数据的修改、要么全部执行、要么全部不执行。
C(Consistency)一致性:在事务完成时,必须是所有数据都保持一致状态。
I(Isolation) 隔离性:并发事务所作的修改必须与其他并发事务所做的改变隔离。
D(Durability) 持久性:事务完成后、对系统的影响是永久性的。

最终一致性
是弱一致性的特例,允许后续的访问操作可以暂时读不到更新后的数据,但经过一段时间后,用户可以读到更新后的数据,最终一致性也是ACID的最终目的,只要最终数据是一致的就可以了,而不是每时每刻都保持实时一致性。

第7章 MapReduce

Hadoop MapReduce是基于谷歌MapReduce的开源实现。

大规模数据集 -> 分片小数据集 -> 处理为<key,value> -> 交给Map任务 -> 输出List(<k2,v2>) -> Map Shuffle -> Reduce Shuffle -> 输入<k2,List(v2)> -> Reduce -> 输出<k3,v3>。

当Map任务全部结束时,才会开始Reduce任务。
在切分大文件时没并不是真正的切分物理文件、而是利用RecordReader记录要处理数据的位置和长度。

Shuffle过程,分为Map端的Shuffle过程、和Reduce端的Shuffle过程,Shuffle是指对Map任务输出结果进行分区,排序、合并、归并等处理并交给Reduce的过程。

Map端的Shuffle过程
输入数据和执行Map任务,Map输出结果写入缓存、缓存满了则进行溢写(分区、排序、合并) 生成多个溢写文件、当Map任务全部结束之前,溢写文件会被归并为一个大的磁盘文件。

Reduce任务从Map端的不同Map机器”领取”属于自己处理的那部分数据,然后对数据进行归并后交给Reduce处理。具有相同key的<key,value>会被发送到同一个Reduce任务。

关于溢写,提供给MapReduce的缓存的容量是有限的,默认大小100MB。随着Map任务执行,很快写满缓存区,进行溢写操作,首先对这些键值进行分区,默认的分区方式为Hash函数对key哈希。
“合并”是指将具有相同key的<key,value>的value加起来。并非所有场景都适合合并操作。
每次溢写操作都会生成一个新得溢写文件,写入溢写文件中得所有键值对都是经过分区和排序得。

“归并” ,溢写文件数量越来越多,最终在Map任务全部结束前,系统对所有溢写文件数据进行归并操作,具有相同key的键值被合并为一个键值,如<k1,v1><k1,v2><k1,v3> 会被归并为一个新的键值,<k1,<v1,v2,v3>>。JobTracker检测Map任务,当Map任务完成时,通知Reduce任务来领取数据。然后开始Reduce端的Shuffle过程。

Reduce端的Shuffle过程
从Map端读取Map任务结果,执行归并操作,,最后送给Reduce任务进行处理。
JobTracker检测Map任务,通知Reduce任务领取数据,先放置到Reduce任务机器的缓存中,同样存在溢写操作,当溢写过程启动时,具有相同key的键值对会被归并。同样存在溢写文件的合并。
经过多轮归并后得到若干个大文件,直接输入Reduce任务。

WordCount实例
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MapReduce模型的关系上的标准运算
选择、投影、并、交、差、自然连接
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第10章 Spark

1、 什么是Spark?
Spark是基于内存计算的大数据并行计算框架,可用于构建大型的、低延时的数据分析应用程序.
2、 Spark的特点。
运行速度快、使用有向无环图执行引擎、支持循环数据流与内存计算。
容易使用,支持多种编程语言。
通用性:提供完整的技术栈,SQL查询、流式计算、机器学习等等。
运行模式多样:可运行在集群、EC2等环境中。

3、 Spark与Hadoop的对比

Hadoop缺点
(1)表达能力有限,需要转化为Map和Reduce操作。
(2)磁盘IO开销大,需要先内存缓存写入,缓存内容溢写到磁盘。
(3)延迟高:一次计算可能要多个MapReduce任务,任务之间设计IO开销,在前一个任务完成之前,其他任务无法开始。

Spark优点:
(1) Spark计算模式也属于MapReduce,但不局限于Map和Reduce操作。
(2) 提供内存计算、计算结果放置于内存中。
(3) 基于DAG任务调度执行机制,由于MapReduce的迭代执行机制。

4、 Spark生态系统
大数据处理主要包括3个·类型
(1) 复杂的批量数据处理
(2) 基于历史数据的交互式查询
(3) 基于实时数据流的数据处理

Spark应用场景
场景 时间跨度 spark生态组件
复杂的批量数据处理 小时级 spark core
基于历史数据的交互式查询 分钟、秒级别 Spark SQL
实时数据流的数据处理 毫秒级、秒级别 spark streaming、structured streaming
历史数据的数据挖掘 MLib
图结构数据的处理 GraphX

5、 Spark运行架构
RDD:一种高度受限的共享内存模型
DAG:反应RDD之间的依赖关系
Spark基本运行流程:

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6、 RDD相关原理

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7、 RDD特性
(1) 高效的容错性
(2) 中间结果持久化道内存
(3) 存放的数据可以是Java对象

8、 RDD之间的依赖关系
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M*R个bucket M: map任务数量 R:Reduce任务数量
Spark多个桶写入同一个文件
Map任务产生 数据文件与索引文件,Reduce任务通过索引文件信息,获取自己应该处理的数据信息。
Reduce任务并不进行排序,而是利用HashMap进行分类,Reduce内存必须满足存放所有其应该存储的<key,value>否则内存会溢出。但内存过大时操作也会从内存到磁盘。Spark的Shuffle过程也有把数据写入到磁盘的情况。

9、 宽依赖与窄依赖
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10、 阶段划分
只有窄依赖才能完成流水线优化。Spark通过分析RDD之间的依赖关系生成DAG,再通过分析各个RDD中的分区之间的依赖关系,划分阶段。
具体方法:在DAG中反向解析,遇到宽依赖就断开,遇到窄依赖就把当前的RDD加入当前的阶段。
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11、 RDD运行过程
(1) 创建RDD对象
(2) SparkContent负责计算RDD之间的依赖关系,构建DAG
(3) DAGScheduler负责把DAG分解成多个阶段、每个阶段中包含多个任务,每个任务会被任务调度器分发给各个工作节点上的Executor去执行

第11章 流计算

1、 流数据
(1) 快速持续到达、潜在数据量也许是无穷无尽的
(2) 数据来源众多、格式复杂
(3) 数据量大、但不是十分关注存储。
(4) 注重数据的整体价值,不过分关注个别数据
(5) 数据顺序颠倒,或者不完整,系统无法控制将要处理的新到达的数据元素的顺序。

2、 流计算
MapReduce负责海量数据执行批量计算
(1) 高性能 (2)海量式 (3)实时性 (4)分布式(5)易用性 (6)可靠性

3、 传统数据处理与流计算对比
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4、 数据处理流程详情
(1) 数据实时采集
Agent:主动采集数据、并把数据推送到Collector部分
Collector:接收多个Agent的数据,并实现有序、可靠、高性能转发
Store:存储,一般不存储,直接发送给流计算平台进行计算

(2) 数据实时计算
数据流入 流处理系统实时计算 计算结果与数据流出

(3) 实时查询服务
流计算处理的数据是实时的,用户通过流处理系统获取的是实施结果,无须人为查询,系统推送给用户

5、 流计算应用场景
(1) 实时分析,如用户商品推荐、广告推荐。
(2) 实时交通,导航路线实时交通状况。

6、 Storm
Storm 免费的、开源的分布式实时计算系统。

7、 Storm的特点
(1) 整合性。方便地与队列系统和数据库系统进行整合
(2) 简易的API。Storm的API在使用上简单方便。
(3) 可扩展性。并行特点,可以部署在分布式集群。
(4) 容错性。自动故障节点重启。
(5) 可靠的消息处理。保证每个消息都能完整处理。
(6) 支持各种编程语言。
(7) 快速部署。
(8) 开源、免费。

8、 Storm设计思想
Streams:流数据是一个无限的Tuple序列。
Spouts:流数据的源头。
Bolts:流数据的转换过程。
Topology:Spouts和Bolts组成的拓扑网络,流转换图。
Stream Groupings: 告知两个Bolt之间怎样进行Tuple传递。
ShuffleGrouping: 随机分组,随即分发Stream中的Tuple,保证每个Bolt的Task接收Tuple数量大致一致。
FiledsGouping: 按照字段分组,保证相同字段的Tuple分配到同一个Task中。
AllGrouping: 广播发送,每一个Task都会收到所有的Tuple.
GlobalGrouping:全局分组,所有Tuple分到同一个Task中。
NonGrouping: 不分组。
DirectGrouping:直接分组,直接指定由某个Task来执行Tuple的处理。

9、 Storm的框架设计
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(1) 提交Topology到Storm集群
(2) Nimbus将分配给Supervisor的任务写入Zookeeper
(3) Supervisor从Zookeeper获取所分配的任务,并启动Worker进程。
(4) Worker进行执行任务。

10、 Spark Streaming
Spark Streaming提供 整合多种输入数据源,将实时输入数据流以时间片为单位进行拆分,经过Spark引擎处理每个时间片数据,Spark Streaming的输入数据按照时间片分成一段一段的Dstream,每一段数据转换为Spark中的RDD,对Dstream的操作最终转变为相对应的RDD操作。
Spark streaming无法完成毫秒级的流计算,因为其将流数据按批处理窗口大小分解为一系列的批量处理的作业。

标签: big data 大数据

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