Hadoop（ハドゥープ）は、大規模なデータを分散処理するためのフレームワークおよびエコシステム全体を指します。米Yahoo!などの大規模インターネット企業で活用された技術を基盤に、Apache Software Foundationがオープンソースとして開発・提供しています。Hadoopは、サーバーを複数台束ねて1つの巨大な計算資源として扱うことで、膨大なデータ（ビッグデータ）の格納および処理を安価かつ高速に実行できる点が大きな特徴です。
当初はウェブページのインデックスや検索システムのための分散処理フレームワークとして注目されましたが、現在では機械学習やデータウェアハウス、ETL（Extract、Transform、Load）処理など、さまざまな業界・用途で利用されています。
Hadoopの誕生と背景
- Nutchプロジェクトからの派生
- Hadoopは、もともとオープンソースの検索エンジンプロジェクトである「Nutch」から独立する形で誕生しました。Nutchで必要だった大規模分散処理の仕組みを汎用化したのがHadoopです。
- Googleの論文が基盤
- Hadoopが実現している分散ファイルシステム（HDFS）やMapReduceのアイデアは、Googleが公開した論文を基盤としています。このアイデアをオープンソースで広く活用できるようにしたのがHadoopの大きな功績です。
- Doug Cuttingによる命名
- Hadoopという名前は、開発者であるDoug Cuttingの子どもが持っていた象のぬいぐるみが由来とされています。
Hadoopが注目される理由
- スケーラビリティが高い
- ノード（サーバー）を追加するだけで性能・容量を増やせる「スケールアウト型」アーキテクチャを採用しているため、ビッグデータを扱うのに最適です。
- コスト効率に優れている
- 大規模クラスタを構築する際に、高価な専用ハードウェアではなく、比較的安価な汎用サーバー（コモディティハードウェア）を活用できるため、初期投資を抑えながら拡張が可能です。
- フォールトトレランス（耐障害性）が高い
- 分散処理を行うノードの一部が故障しても、他のノードで処理を継続できる仕組みがあります。HDFSやYARNが自動的にジョブを再スケジュールし、データの複製を保持することで障害に強い構成を実現します。
- 多様なデータ形式に対応
- 構造化データ（データベースのテーブルのようなもの）だけでなく、テキストデータやログデータ、画像や動画など非構造化データも分散ファイルシステムに保存し、後から解析することが可能です。
Hadoopの主要コンポーネント
Hadoopはいくつかのサブプロジェクトやモジュールから構成されますが、ここでは中心的な役割を果たす3つを紹介します。
HDFS (Hadoop Distributed File System)
- 分散ファイルシステム
- 大容量データを複数のノードに分散して格納します。データは複数のレプリカ（副本）として保存されるため、どこかのノードが故障してもデータ損失が起こりにくいのが特長です。
- NameNodeとDataNode
- HDFSは大きくNameNodeとDataNodeという役割を持つノードによって構成されます。
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- NameNode
- ファイルシステムのメタデータ（ファイルの配置情報やディレクトリ構造）を管理する。
- DataNode
- 実際にデータブロックを保存・読み書きする。
HDFSを利用する際は、NameNodeを安定稼働させるための運用設計が重要です。
YARN (Yet Another Resource Negotiator)
- クラスタリソース管理
- Hadoop 2.0から導入されたコンポーネントで、クラスタ全体のCPU・メモリなどのリソースを効率的に管理する役割を担います。
- スケジューラー
- どのジョブをいつ、どのノードで実行するかを自動的に調整します。リソースを最適配分する仕組みとして、高度なスケジューラ（Capacity SchedulerやFair Schedulerなど）を選択・設定できます。
- アプリケーション固有フレームワークのサポート
- MapReduceだけでなくSparkやTezなどの多様な分散処理フレームワークを実行できるようになりました。
MapReduce
- 分散処理フレームワーク
- Hadoopで最も基本的なデータ処理のパラダイム。大規模なデータを「Map」フェーズと「Reduce」フェーズに分割して並列処理を行います。
- Mapフェーズ
- 入力データを複数のマッパー（Mapper）で並列に処理し、中間結果をキーとバリューのペアとして出力します。
- Reduceフェーズ
- 中間結果をキーごとにまとめ（シャッフルとソートを挟む）、Reducerで集計や加工、最終的な出力を行います。
- 高度なチューニング
- 中級者以上がMapReduceを使う際は、ShuffleやSortのチューニング、コンバイナ（Combiner）の活用、パーティショニングの設計などを最適化することで処理速度を大幅に向上させられます。
Hadoopエコシステム
Hadoop単体では大規模データの格納と処理基盤を提供するだけですが、その周辺には非常に多くのプロジェクトが存在します。これらを組み合わせることでデータウェアハウス的な利用やリアルタイム処理などが可能になります。
Hive
- SQLライクなクエリ言語（HiveQL）
- 大規模データに対してSQLを用いた解析ができるため、データアナリストやビジネスインテリジェンス（BI）に馴染みのあるユーザーが活用しやすい。
- テーブルのメタデータ管理
- Hive Metastoreを用いて、HDFS上に存在するファイルをテーブルとして定義・管理します。
- バッチ処理が基本
- 従来のMapReduceをバックエンドにしているため高速性は限定的でしたが、TezやSparkをエンジンとして実行できるようになり、大幅な高速化が可能となりました。
Pig
- スクリプトベースのデータフロー言語
- Apache PigはPig Latinという独自言語を使い、MapReduceジョブを抽象化して記述します。SQLのような宣言的言語に慣れていない場合や、複雑なデータ処理フローが必要な場合に便利です。
Spark
- インメモリ処理による高速化
- Hadoop MapReduceよりも高速な処理を可能にする分散処理フレームワーク。データをメモリ上にキャッシュして繰り返し利用できるため、機械学習やインタラクティブなクエリ処理に適しています。
- 多様なAPI
- RDD（Resilient Distributed Dataset）やDataFrame、Spark SQL、Spark Streamingなど、用途別に最適化されたAPIを提供します。
- Hadoopと併用
- Hadoop YARN上でSparkを動かすことで、既存のクラスタ環境を生かしつつ高速処理を実現できます。
HBase
- NoSQLデータベース
- HBaseはHDFS上に保存される分散Key-Valueストアで、大量のランダムな読み書きに対応します。オンライン分析やリアルタイムアクセスが必要な場面で活躍します。
Sqoop
- データ移行ツール
- 伝統的なRDBMS（MySQL、Oracle、PostgreSQLなど）とHadoopエコシステム間で大規模データを効率よく移行するためのツールです。
Flume
- ログ収集フレームワーク
- Webサーバーのアクセスログやアプリケーションのログなどをリアルタイムに収集し、HDFSなどに取り込むことができます。
Oozie
- ワークフロー管理
- Hadoopエコシステム上で定期バッチの実行や、複数のジョブを連動させるためのワークフロー管理ツール。ジョブの依存関係を定義し、自動的に実行できます。
ZooKeeper
- 分散コーディネーションサービス
- クラスタ内のノード同士の状態管理や、リーダー選出、メタデータ管理などを行うための仕組みです。HBaseなど一部のプロジェクトはZooKeeperに依存して動作します。
データ処理フローの例
- ログ収集
サーバーやアプリケーションで発生するログをFlumeを使ってHDFSに蓄積。あるいはKafkaなどのメッセージキューを利用する場合もあります。 - バッチ処理
SqoopでRDBMSのデータをHDFSへ移行し、HiveやPig、Sparkによるバッチ分析を定期的に実行。 - 分析結果の保存
分析した結果をHDFSに再度格納したり、Hiveのテーブルとして可視化ツール（Tableauなど）に連携。 - 機械学習
Spark MLlibやMahoutなどを使って予測モデルを構築し、ビジネスインテリジェンスに役立てる。
運用と管理のポイント
- クラスタ設計
- どのようなサーバーを使うか、NameNodeやResourceManager（YARN）などの重要コンポーネントを冗長化するか、といった設計が必要です。
- モニタリング・可視化
- Hadoop専用の監視ツール（Ambari、Cloudera Managerなど）を使うことで、ノードのヘルスチェックやジョブ実行の可視化を行い、問題を早期に発見できます。
- リソース管理とスケジューリング
- 複数のユーザーやチームが同時にジョブを実行する際、YARNのスケジューラを適切に設定することで、リソース競合を最小化しつつ効率的にクラスタを利用できます。
- ジョブチューニング
- MapReduceジョブのパラメータ（Mapper数、Reducer数、メモリ割り当てなど）やSparkのパラメータ（Executor数、メモリ設定など）を調整し、処理性能を最適化します。
- セキュリティ
- HadoopはKerberos認証などをサポートしています。エンタープライズレベルでは認証・認可（アクセス制御）、暗号化、監査ログの管理が重要になります。
- データガバナンスとメタデータ管理
- データのライフサイクルを適切に管理するために、Hive MetastoreやApache Atlasなどを使ってメタデータを統合管理するケースが増えています。
Hadoopの活用例
- ログ解析
- 大規模なアクセスログやセンサーデータをHDFSで一元管理し、ビジネス上の洞察を得るためのバッチ分析を行う。
- データウェアハウス（DWH）の拡張
- 既存のDWHの前段や補助としてHadoopを導入し、低コストで膨大なデータを保存・分析。
- 機械学習基盤
- Spark MLlibなどを利用し、レコメンドエンジンや需要予測、自然言語処理などに応用。
- ETL処理
- さまざまなデータソースからデータを収集し、Hadoop上で変換処理を行ってからDWHやBIツールに渡す。
- リアルタイムストリーミング
- KafkaやSpark Streamingを組み合わせることで、ストリーミングデータのほぼリアルタイムでの分析が可能。
中級・上級者向けのトピック
- テーブルパーティショニングと最適化
- HiveやSpark SQLでは、テーブルパーティションを設定することでクエリ実行時のI/Oを削減できます。また、ParquetやORCフォーマットを使うことで圧縮率やクエリパフォーマンスが向上します。
- ジョイン戦略
- 大規模データ同士のジョインでは、Map-side joinやBroadcast joinなどのテクニックを活用してネットワーク転送を削減し、処理を高速化できます。
- Incremental Processing（インクリメンタル処理）
- バッチ処理だけでなく、HiveのACIDトランザクションやHBaseとの連携、Spark Structured Streamingを活用し、更新やリアルタイムインジェストを効率的に扱う方法を検討します。
- クラウド環境でのHadoop
- Amazon EMRやGoogle Cloud Dataproc、Azure HDInsightなど、クラウドベースのマネージドサービスを利用することで、オンデマンドにリソースを増減できる柔軟な運用が可能です。
- セキュリティと認証
- Kerberosによる認証を前提とする企業環境では、ユーザーやサービスアカウント管理が複雑になります。さらにRangerやSentryなどのツールを使ったアクセス制御や監査ログの一元管理も重視されます。
まとめ
Hadoopはビッグデータ時代を支える基盤として進化を続けており、分散ファイルシステム（HDFS）やリソース管理（YARN）、バッチ処理フレームワーク（MapReduce）を中心に、さまざまなプロジェクトと連携することで強力なエコシステムを形成しています。
初心者の方にとってはまずHDFSやMapReduceの概念を理解し、Hiveを通してSQL的にデータ解析に取り組むのがよいでしょう。中級者以上の方はSparkやテーブルパーティショニングなどの最適化手法を活用し、クラスタのパフォーマンスや運用性を高めることが重要になります。
Hadoopは大規模データの世界では欠かせない存在であり、エンタープライズ環境でもクラウド環境でも柔軟に活用できるため、今後もビジネス上の価値創出に大きく貢献し続けるでしょう。