大数据（三）大数据技术栈发展史

一、总览

大数据技术栈非常多估计大大小小多达上百种。但发展史、技术体系仍有迹可循。我们从数据采集、清洗、应用3大步骤来看，在每个步骤内部按照时序标识主流技术栈时间点。以此期望能给大家一个初步的映像。三大步骤如下：

• 数据采集：从数据源进行数据同步，大致分为：主动查询DB数据批量（离线）同步、基于DB log数据变更（实时）同步2大类。
• 数据清洗：标准的ETL数据清洗，大致分为：离线计算（批处理）、实时计算（流处理）2大类。
• 数据应用：OLAP在线数据分析、报表、数据大屏、大数据查询服务API。

分步骤整体技术栈如下图所示：

二、技术栈

2.1 数据集采

如上图，数据采集可以归纳为两大类：离线查询同步、实时变更同步。如下图所示：

2.1.1 离线同步

离线同步常见技术栈有：Sqoop、Flume、DataX。

2.1.1.1 Sqoop-2009

2.1.1.2 Flume-2009

1）介绍

Apache Flume 是一个分布式、高可靠、高可用的用来收集、聚合、转移不同来源的大量日志数据到中央数据仓库的工具。也是Apache顶级项目。

2）同步原理

flume采集流模式进行数据实时采集。适用于日志文件实时采集，特定文件传输场景使用。

2.1.1.3 DataX-2019

1）介绍

DataX是阿里开源的，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。

2）同步原理

为了解决异构数据源同步问题，DataX将复杂的网状的同步链路变成了星型数据链路，DataX作为中间传输载体负责连接各种数据源。当需要接入一个新的数据源的时候，只需要将此数据源对接到DataX，便能跟已有的数据源做到无缝数据同步。

数据库日志同步。适用于在异构数据库/文件系统之间高速交换数据，是主流的离线同步工具，推荐使用。

2.1.2 实时同步

2.1.2.1 Canal-2014

1）介绍

canal [kə’næl]，译意为水道/管道/沟渠，主要用途是基于 MySQL 数据库增量日志解析，提供增量数据订阅和消费。2014年，由Alibaba开源。

github:https://github.com/alibaba/canal,阿里巴巴 MySQL binlog 增量订阅&消费组件。

2）同步原理

数据库增量日志解析。仅适用于Mysql数据同步，适用场景局限性过大，无法作为通用技术栈。

2.1.2.2 Debezium-2015

1）介绍

RedHat(红帽公司) 开源的Debezium是一个将多种数据源实时变更数据捕获,形成数据流输出的开源工具。 它是一种CDC(Change Data Capture)工具，工作原理类似大家所熟知的 Canal, DataBus, Maxwell 等，是通过抽取数据库日志来获取变更的。

2）同步原理

Debezium的工作原理是利用数据库日志来捕获数据库更改事件，深度结合Kafka实现。

2.1.2.3 FlinkCDC-2020

1）介绍

FlinkCDC是Apache Flink的一组源连接器，使用更改数据捕获(CDC)从不同的数据库摄取更改。项目诞生于2020年，底层也是封装的Debezium。

github:   https://github.com/ververica/flink-cdc-connectors

2）同步原理

同Debezium。

2.1.3 总结

常见开源CDC方案比较如下：

如上图，如果需要做全量+增量同步，FlinkCDC是一个不错的选择。（支持的下游生态更丰富、操作更简单Flink SQL）

2.2 数据清洗

数据清洗阶段是大数据的核心能力阶段，主要包含计算(离线计算、实时计算)+存储（分布式存储），下面我们就从这两个方面来看有哪些主流技术栈。

如上图所示，Google在2003-2006之间发布了3篇始祖级论文：2003分布式文件系统GFS、2004分布式计算框架MapReduce、2006NoSQL数据库系统BigTable。之后在2006年发布了大数据平台Hadoop，自此这只黄色的可爱小象，驰骋在大数据领域，所向披靡。

2.2.1 计算-离线计算（批计算）

离线计算领域Hadoop的MapReduce是始祖，有2个衍生技术栈：Pig和Hive。最后一个Spark相对Hadoop MapReduce性能上有极大提升。

2.2.1.1 Hadoop MapReduce-2006

1）介绍

Hadoop MapReduce是一个软件框架，可以轻松地编写应用程序，以可靠，容错的方式并行处理大型硬件集群（数千个节点）上的大量数据（多TB数据集）。

2）原理

MapReduce 作业通常将输入数据集拆分为独立的块，这些任务由地图任务以完全并行的方式进行处理。框架对地图的输出进行排序，然后将其输入到reduce任务。

2.2.1.2 Pig-2007

1）介绍

为了简化MapReduce开发的流程，Yahoo工程师发明了Pig，后捐给了Apache。只需编写Pig Latin脚本语言,系统自动转化成mapreduce执行。pig不是主流技术栈，不建议使用。

2）原理

Apache PIG提供一套高级语言平台，用于对结构化与非结构化数据集进行操作与分析。这种语言被称为Pig Latin，其属于一种脚本形式，可直接立足于PIG shell执行或者通过Pig Server进行触发。用户所创建的脚本会在初始阶段由Pig Latin处理引擎进行语义有效性解析，而后被转换为包含整体执行初始逻辑的定向非循环图(简称DAG)。

2.2.1.3 Hive-2007

1）介绍

Hive起源于FaceBook，是基于Hadoop的一个数据仓库工具，用来进行数据提取、转化、加载，这是一种可以存储、查询和分析存储在Hadoop中的大规模数据的机制。Hive数据仓库工具能将结构化的数据文件映射为一张数据库表，并提供SQL查询功能，能将SQL语句转变成MapReduce任务来执行。

2）原理

如上图所示，Hive基本原理就是转换HQL语言为MapReduce任务来执行。hive 并非为联机事务处理而设计，hive 并不提供实时的查询和基于行级的数据更新操作。hive的最佳使用场合是大数据集的批处理作业，例如，网络日志分析。

2.2.1.4 Spark-2010

1）介绍

Apache Spark 是专为大规模数据处理而设计的快速通用的计算引擎。Spark是UC Berkeley AMP lab (加州大学伯克利分校的AMP实验室)所开源的类Hadoop MapReduce的通用并行框架，Spark，拥有Hadoop MapReduce所具有的优点；但不同于MapReduce的是——Job中间输出结果可以保存在内存中，从而不再需要读写HDFS，因此Spark能更好地适用于数据挖掘与机器学习等需要迭代的MapReduce的算法。简单来说，Spark是一个快速，通用，可扩展的分布式计算引擎。这里把Spark划归离线计算，是把Spark Streaming排除在外的。Spark是离线计算（批处理）领域的主流技术栈。

2）原理

如上图所示，Spark有三个主要特性：RDD的编程模型更简单，DAG切分的多阶段计算过程更快速，使用内存存储中间计算结果更高效。这三个特性使得Spark相对Hadoop MapReduce可以有更快的执行速度，以及更简单的编程实现。这里具体的细节原理就不展开细讲。

2.2.2 计算-实时计算(流计算)

流式计算领域，有3个典型技术栈：Storm、Spark Streaming、Flink，其中Spark Streaming是“微批拟流”，不能算是真流。两种流式处理说明如下：

1）Native Streaming原生流：指每个传入的记录一到达就会被处理，而不必等待其他记录。

2）Micro-batching微批拟流: 这意味着每隔几秒就会将传入记录一起批处理，然后在一个小批量中处理，延迟几秒钟。

2.2.2.1 Storm-2011

1）介绍

Storm是一个免费开源、分布式、高容错的实时计算系统。Storm最早于2011年诞生于Twitter，2013年进入Apache社区进行孵化， 2014年9月，晋级成为Apache顶级项目。早期Storm用于实时计算，Hadoop用于离线计算。现阶段已不推荐使用。

2）原理

在Storm中，先要设计一个用于实时计算的图状结构，我们称之为拓扑(topology)，它的结构和Mapreduce任务类似，通过自定定义Spout(数据输入处理模块)和Bolt(输出处理模块)逻辑，以及自定义Bolt之间的拓扑依赖关系，完成整个实时事件流的处理逻辑搭建。Topology(拓扑)是一个是由 Spouts 和 Bolts 通过 Stream 连接起来的有向无环图。Topology将会被提交给集群，由集群中的主控节点(master node)分发代码，将任务分配给工作节点(worker node)执行。Topology拓扑结构如下图所示：

2.2.2.2 Spark Streaming-2013

1）介绍

Spark是Hadoop的批处理（MapReduce）实际继承者。为了应对流式处理场景，2013年Spark 2.0推出了Spark Streaming。但由于不是原生流处理技术栈，存在时延，加之高级功能不如Flink,已不是主流技术栈。

2）原理

Spark Streaming是在 Spark Core API基础上扩展出来的，以微批模式实现的近实时计算框架，它认为流是批的特例，将输入数据切分成一个个小的切片，利用Spark引擎作为一个个小的batch数据来处理，最终输出切片流，以此实现近似实时计算。如下图所示：

2.2.2.3 Flink-2014

1）介绍

Apache Flink是一个框架和分布式处理引擎，用于无界和有界数据流的有状态计算。Flink创造性地统一了流处理和批处理，作为流处理看待时输入数据流是无界的，而批处理被作为一种特殊的流处理，只是它的输入数据流被定义为有界的。2015年发布了第一个版本，目前Flink已成为流处理领域的实际标准，且大有一统某些场景的批流一体方案的计算引擎。

同时支持有界、无界：

2）原理

Flink 架构也遵循Master-Slave架构设计原则，JobManager为Master节点，TaskManager为Slave节点。架构图如下：

2.2.3 分布式存储

相比于计算领域的百花齐放，分布式存储技术栈就显得独树一帜了。最早的Hadoop HDFS分布式文件系统，以及基于HDFS衍生出来的Hbase。

1）介绍

HBase是一个分布式的、面向列的开源数据库。建立在 HDFS 之上。Hbase的名字的来源是 Hadoop database。HBase 的计算和存储能力取决于 Hadoop 集群。它介于NoSql和RDBMS之间，仅能通过主键(row key)和主键的range来检索数据，仅支持单行事务(可通过Hive支持来实现多表join等复杂操作)。

HBase中表的特点：

• 大：一个表可以有上十亿行，上百万列。
• 面向列：面向列(族)的存储和权限控制，列(族)独立检索。
• 稀疏：对于为空(null)的列，并不占用存储空间，因此，表可以设计的非常稀疏。

2）原理

hbase的系统架构如下：

HBase由三种类型的服务器以主从模式构成：

• Region Server：负责数据的读写服务，用户通过与Region server交互来实现对数据的访问。
• HBase HMaster：负责Region的分配及数据库的创建和删除等操作。
• ZooKeeper：负责维护集群的状态（某台服务器是否在线，服务器之间数据的同步操作及master的选举等）。

HBase 表数据模型如下：

与nosql数据库一样,row key是用来检索记录的主键。访问hbase table中的行，只有三种方式：

1. 通过单个row key访问
2. 通过row key的range
3. 全表扫描

2.3 数据应用

本节聚焦大数据OLAP，讲解主流技术栈。OLAP技术发展至今，已经是”百花齐放“之势，可简单分三类：

• ROLAP(Relational OLAP，关系型OLAP)：使用关系数据库存储管理数据仓库，以关系表存储多维数据，有较强的可伸缩性。其中维数据存储在维表中，而事实数据和维 ID 则 存储在事实表中，维表和事实表通过主外键关联。
• MOLAP(Multidimensional OLAP，多维型OLAP)：MOLAP 支持数据的多维视图，采用多维数据组存储数据，它把维映射到多维数组的下标或下标的范围，而事实数据存储在数组单元中， 从而实现了多维视图到数组的映射，形成了立方体的结构。
• HOLAP(Hybrid OLAO，混合型OLAP): 混合存储，如低层是关系型的，高层是多维矩阵型的，灵活性强。将明细数据保留在关系型数据库的事实表中，聚合后数据保存在Cube中，查询效率比 ROLAP 高，但性能低于 MOLAP。

2.3.1 ROLAP

Rolap（Relational OLAP），即关系型OLAP。Rolap基于关系型数据库，它的OLAP引擎就是将用户的OLAP操作，如上钻下钻过滤合并等，转换成SQL语句提交到数据库中执行，并且提供聚集导航功能，根据用户操作的维度和度量将SQL查询定位到最粗粒度的事实表上去。分为两大类：1、MPP数据库 2、SQL on Hadoop。

2.3.1.1 MPP数据库

MPPDB即基于MPP架构（Massive Parallel Processing,海量并行处理）的数据库。典型技术栈有：Doris/StarRocks、ClickHouse、GreenPlum。

Doris-2018

Apache Doris是由百度开源的一款MPP数据库，支持标准的SQL语言，兼容MYSQL协议，可直接对接主流BI系统。2018年捐给apache,后在2022年成为Apache 顶级项目。使用简单、生态完善、运维方便、稳定可靠、国产之光—-一站式开箱即用，无脑推荐使用。Doris定位如下图：

ClickHouse-2016

ClickHouse是俄罗斯的Yandex于2016年开源的一个用于联机分析(OLAP)的列式数据库管理系统。性能极高，运维难度较大，全球风靡—推荐使用。看官网介绍的定位支持任何数据源的快速查询，如下图：

GreenPlum

2.3.1.2 SQL on Hadoop

 2.3.1.2.2 通用型

Blink诞生于2015年，在Alibaba内部使用，2019年开源并于Flink1.9.0版本。Flink SQL 可以做到 API 层的流与批统一,这是一个极大的进步，让用户关注核心API即可而不用关注底层细节。

2.3.2 MOLAP

 MOLAP多维型OLAP，即事先将汇总数据计算好，以多维数组的形式保存数据。其核心思想是借助预先聚合结果，用空间换时间。典型架构就是Kylin和Druid。

2.3.2.1 Kylin

Kylin 是2014年由eBay中国研发中心开源的OLAP引擎，提供 Hadoop/Spark 之上的 SQL 查询接口及多维分析能力以支持超大规模数据，它能在亚秒内查询巨大的Hive表。其核心技术点在于预计算和Cube（立方体模型）的设置：首先， 对需要分析的数据进行建模，框定需要分析的维度字段；然后通过预处理的形式，对各种维度进行组合并事先聚合，将聚合结果以某种索引或者缓存的形式保存起来；最后查询时直接利用结果返回数据。

• 优点：快。
• 缺点：只读分析引擎，不支持insert,update,delete等SQL操作；cube建模有成本。

2.3.2.2 Druid

Druid是由广告公司 MetaMarkets 于2012年开源的实时大数据分析引擎。Druid 作为MOLAP引擎，也是对数据进行预聚合。只不过预聚合的方式与Kylin不同，Kylin是Cube化，Druid的预聚合方式只是全维度进行Group-by，相当于是Kylin Cube 的 base cuboid。