MHuiG

「看庭前花开花落,望天上云卷云舒」

# 大数据架构演变

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在 Hadoop 系列框架还没出现之前，数据分析工作已经经历漫长的发展，其中以 BI 系统为主的数据分析，已经有非常成熟和稳定的技术解决方案和生态系统，BI 系统的架构图如下：

BI 又叫商业智能，其包括与传统业务系统的区别在于：业务系统更注重于事务型的数据处理，用来支撑企业的各业务线；而 BI 是将企业中所有数据汇聚成数据仓库（DW）并对其进行分析型操作，其中 Cube 是 BI 的核心模块。Cube 是一额更高层的业务抽象模型，在 Cube 上可以进行上钻、下钻、切片等操作、

BI 系统都是基于关系型数据库，关系型数据库使用 SQL 语句进行操作，但是 SQL 在多维操作相对较弱，所以 Cube 有自己独有的查询语言多维查询语言 —— MDX

大多数的数据库服务厂商都提供 BI 服务，轻易便可搭建出一套 OLAP 分析系统

OLTP 联机事务处理，表现为企业中的应用系统如 OA、CRM、ERP、财务软件等供各部门使用

OLAP 联机分析处理，也叫决策支持系统 DSS，通常进行使用者是企业高管或部门管理者

但是随着互联网发展，BI 系统也暴露除了一些缺点:

- BI 系统多以分析业务数据产生结构化数据为主，对于非结构化和半结构化数据处理乏力。例如图片、文本、音频的存储、分析。

- 随着异构数据源增加，要解析数据内容进入数据仓库，则需要非常复杂的 ETL 程序，从而导致 ETL 变得过于庞大和容易出错，需要大量人力进行维护

- 随着数据的增长，性能会成为瓶颈，在 TB/PB 级别的数据处理上表现的尤为乏力

- 数据仓库的原始数据都是只读的用来分析，不存实务操作者导致传统的范式约束大大影响了性能

由于 BI 的一系列问题，在以 Hadoop 生态圈的大数据分析平台逐渐表现出其优异性，围绕 Hadoop 体系的生态圈也不断变大，对于 Hadoop 系统来说，从根本上解决了传统数据仓库瓶颈的问题

随着大数据平台的不断发展，现在主要对数据的处理时效进行区分为

- 针对于 T+1 数据的离线处理架构，其主要应用框架由 Hadoop、Hive、Sqoop 等组成

- 针对实时数据的流式处理架构，其主要由 Spark、Flink、Flume、Kafka 等组成

## Lambda 架构

“我们正在从 IT 时代走向 DT 时代 (数据时代)。IT 和 DT 之间，不仅仅是技术的变革，更是思想意识的变革，IT 主要是为自我服务，用来更好地自我控制和管理，DT 则是激活生产力，让别人活得比你好”

—— 阿里巴巴董事局主席马云。

Hadoop 作为解决对大数据量低成本规模化的处理的解决方案被广泛应用

但是 MapReduce 或者 Hive 很难做到低延迟，用 Storm 开发的实时流处理技术可以帮助解决延迟性的问题，但它并不完美

- Storm 不支持 exactly-once 语义，因此不能保证状态数据的正确性

- Storm 不支持基于事件时间的处理

后来出现了一种混合分析的方法，它将上述两个方案结合起来，既保证低延迟，又保障正确性 ——Lambda

Lambda 架构是由 Storm 的作者 Nathan Marz 提出的一个实时大数据处理框架

Marz 在 Twitter 工作期间开发了著名的实时大数据处理框架 Storm，Lambda 架构是其根据多年进行分布式大数据系统的经验总结提炼而成

Lambda 的目标:

- 高容错、低延时、可扩展

Lambda 特性

- 整合离线计算和实时计算

- 读写分离和复杂性隔离

- 可集成 Hadoop，Kafka，Storm，Spark，HBase 等

Marz 认为大数据系统应具有以下的关键特性（Lambda 架构的关键特性）：

- Robust and fault-tolerant（容错性和鲁棒性）：让系统从错误中快速恢复

- Low latency reads and updates（低延时）：响应是低延时

- Scalable（横向扩容）：通过增加机器的个数来提高系统的性能

- General（通用性）：支持多领域的数据分析（金融、社交、电子商务等）

- Extensible（可扩展）：以最小的开发代价来增加新功能

- Allows ad hoc queries（方便查询）：即时查询，快速简便的进行查询

- Debuggable（易调试）：快速定位错误

Lambda 架构通过分解的三层架构来解决问题

- Batch Layer

- Speed Layer

- Serving Layer

### Batch Layer

理想状态下，任何数据查询都可以从表达式 Query= function (all data) 获得，但是若数据达到相当大的一个级别（例如 PB），且还需要支持实时查询时，就需要耗费非常庞大的资源

可以将数据提前进行计算处理成为 Batch View，这样当需要执行查询时，可以从 Batch View 中读取结果。这样一个预先运算好的 View 是可以建立索引的，因而可以支持随机读取

Batch Layer 总结为：

- Batch View = function(all data)

- Query = function(BatchView)

### Speed Layer

Batch Layer 的离线处理可以很好的满足大多数应用场景，但有很多场景的数据是不断实时生成，并且需要实时查询处理。Speed Layer 正是用来处理增量的实时数据并生成 Realtime View

Speed Layer 处理的数据是最近的增量数据流，Batch Layer 处理的是全体数据集

Speed Layer 为了效率，接收到新数据时不断更新 Realtime View，而 Batch Layer 根据全体离线数据集直接得到 Batch View

Speed Layer 是一种增量计算，所以延迟小

Speed Layer 总结为：

- RealtimeView＝function(RealtimeView，new data)

Batch Layer 和 Speed Layer 优点：

- 容错性：Speed Layer 中处理的数据也不断写入 Batch Layer，当 Batch Layer 中重新计算的数据集包含 Speed Layer 处理的数据集后，当前的 Realtime View 就可以丢弃，这也就意味着 Speed Layer 处理中引入的错误，在 Batch Layer 重新计算时都可以得到修正。这点也可以看成是 CAP 理论中的最终一致性（Eventual Consistency）的体现

- 复杂性隔离：Batch Layer 处理的是离线数据，可以很好的掌控。Speed Layer 采用增量算法处理实时数据，复杂性比 Batch Layer 要高很多。通过分开 Batch Layer 和 Speed Layer，把复杂性隔离到 Speed Layer，可以很好的提高整个系统的鲁棒性和可靠性

- Query = function( Batch View , Realtime View )

- Realtime View = function( Realtime View , new data )

- Batch View = function( all data )

### Serving Layer

用于响应用户的查询请求，合并 Batch View 和 Realtime View 中的结果数据集到最终的数据集

## Kappa 架构

Lambda 架构有时会出现批量数据和实时数据结果对不上的问题

LinkedIn 的 Jay Kreps 提出了一个新的架构：KAPPA

它的理念是：鉴于大家认为批量数据和实时数据对不上是个问题，它直接去掉了批量数据；而直接通过队列（Kafka），放入实时数据之中。

例如：将所有的数据直接放到原来的 Kafka 中，然后通过 Kafka 的 Streaming，去直接面向查询

该架构也存在着一些问题：

- 不能及时查询和训练。例如：我们的分析师想通过一条 SQL 语句，来查询前五秒的状态数据。这对于 KAPPA 架构是很难去实现的

- 面对各种需求，它同样也逃不过每次需要重新做一次 Data Streaming。也就是说，它无法实现 Ad—hoc 查询，我们必需针对某个需求事先准备好，才能进行数据分析

- 新数据源的结构问题。例如：要新增一台智能硬件设备，我们就要重新开发一遍它对应的适配格式、负责采集的 SDK、以及 SDK 的接收端等，即整体都要重复开发一遍

## IOTA 架构

### IOTA 架构整体思路

设定标准数据模型，通过边缘计算技术把所有的计算过程分散在数据产生、计算和查询过程当中，以统一的数据模型贯穿始终，从而提高整体的预算效率，同时满足即时计算的需要，可以使用各种 Ad-hoc Query 来查询底层数据

- Common Data Model（核心）：从数据收集到数据存储和处理使用统一的数据模型

​ “主 - 谓 - 宾”、“对象 - 事件”、“产品 - 事件”、“地点 - 时间” 模型等等

​ 例，“X 用户 – 事件 1 – A 页面（2018/4/11 20:00）

- SDKs：数据的采集端，不仅仅是过去的简单的 SDK，在复杂的计算情况下，会赋予 SDK 更复杂的计算，在设备端就转化为形成统一的数据模型来进行传送

- Real Time Data：实时数据缓存区，这部分是为了达到实时计算的目的，海量数据接收不可能海量实时入历史数据库，那样会出现建立索引延迟、历史数据碎片文件等问题。因此，有一个实时数据缓存区来存储最近几分钟或者几秒钟的数据。这块可以使用 Kudu 或者 Hbase 等组件来实现。这部分数据会通过 Dumper 来合并到历史数据当中。此处的数据模型和 SDK 端数据模型是保持一致的，都是 Common Data Model，例如 “主 - 谓 - 宾” 模型

- Historical Data：历史数据沉浸区，这部分是保存了大量的历史数据，为了实现 Ad-hoc 查询，将自动建立相关索引提高整体历史数据查询效率，从而实现秒级复杂查询百亿条数据的反馈。例如可以使用 HDFS 存储历史数据，此处的数据模型依然 SDK 端数据模型是保持一致的 Common Data Model

- Dumper：Dumper 的主要工作就是把最近几秒或者几分钟的实时数据，根据汇聚规则、建立索引，存储到历史存储结构当中，可以使用 map reduce、C、Scala 来撰写，把相关的数据从 Realtime Data 区写入 Historical Data 区

- Query Engine：查询引擎，提供统一的对外查询接口和协议（例如 SQL JDBC），把 Realtime Data 和 Historical Data 合并到一起查询，从而实现对于数据实时的 Ad-hoc 查询。例如常见的计算引擎可以使用 presto、impala、clickhouse 等

- Realtime model feedback：通过 Edge computing 技术，在边缘端有更多的交互可以做，可以通过在 Realtime Data 去设定规则来对 Edge SDK 端进行控制

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发布于：2021年2月7日

更新于：2021年2月7日

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