Google BigTable阅读笔记

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【论文阅读笔记】Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data Bigtable 是 Google 设计的用于管理结构化数据的分布式存储系统，可扩展到数千台服务器存储 PB 级数据。它不是关系数据库，而是一种稀疏、分布式、持久性多维排序映射（K/V）。Bigtable被 60 多个 Google 产品使用，涵盖不同数据规模和延迟要求的应用，这得益于 BigTable 提供的简单数据模型可以使客户端动态控制数据的布局和格式。阅读详情

Google BigTable阅读笔记

转载： http://habadog1203.gotoip1.com/2011/05/10/google-bigtable-read-1/

摘要
Google BigTable是一个分布式的结构化数据存储系统，用来存储海量的数据，这些数据分布在以千计数的普通PC集群上（GFS，MapReduce都是分布在这样的集群上）。
Google有很多项目都使用BigTable存储数据，如Web索引、Google地图、Google金融等。这些应用对存储量、响应速度、吞吐量需求各异，但BigTable还是成功成为一个灵活且高性能的解决方案。

1.概要
BigTable是一个分布式的结过婚数据存储系统，它存储着PB级别的数据。
BigTable的设计目标是：
（1）适用性广；
（2）扩展方便；
（3）高性能；
（4）高可用；

BigTable和数据库比较类似，它的实现参照了很多数据库的实现策略（并行数据库，内存数据库），但它提供了一套完全不同的接口；
BigTable不支持关系型模型，即不支持schema，它提供的模型允许用户动态控制数据的分布和格式；
BigTable视一切数据为字符串，用户可以把结构化或半结构化的数据串行化到字符串里，进行存储；

2.数据模型
BigTable是一个稀疏的、分布式的、持久化存储的多维排序map，map的索引是行名称、列名称、时间戳，value是只有用户能理解含义的二进制串。
(row:string + column:string + time:int64) => (string)
为什么设计成这样的数据模型呢？首先考虑一种常见的应用，存储网页（webtable）：
URL为关键字，URL含有各种属性，每种属性有一定的历史，如下图

图一：网页存储片段

行（rows）：
（1）表中的行是任意的字符串（64k上限），对每一行的读写都是原子的；
（2）BigTable通过行关键字组织数据，每个行都能动态分区，每个分区叫一个子表（tablet），子表是数据分布与负载均衡的最小单位；
（3）第二点保证了读取行中少数几列的数据时效率很高，应用层还能利用位置相关特性，将一些需要的数据放置在一起。
仍以存储网页为例：
能够以URL主域反转作为key，进行网页的存储，这样同一个主域下的网页都存在一起，能够提高查询效率。
com.google.maps/site1.html
com.google.maps/site2.html

列族（column families）：
（1）列关键字组成的集合叫列族，列族是访问控制的基本单位；
（2）同一个列族下的数据通常类型相同；
（3）列族必须先创建才能使用，创建后，任何一个列关键字下都能存放数据。
（4）一张表可以有无限多个列；
一般来说，一张表中列族不能太多（几百个足以），并且列族在运行期间很少改变。
列族名称由族名称（family）+限定符（qualifier）组成，其中：
（1）族名称必须是可打印字符；
（2）限定符可以是任意字符；
访问控制、磁盘以及内存的使用统计都是在列族层面进行的。仍以存储网页为例，权限控制能允许某些应用添加新的基本数据、某些应用读取基本数据并创建继承的列族、一些应用则只能浏览。

时间戳（timestamps）：
（1）时间戳类型为int64，精度为毫秒；
（2）一份数据可以有多个时间戳版本，以避免版本冲突；
（3）不同时间戳版本的数据按时间戳降序排列，即最新的数据在最前面；
一般来说，只会保存某个数据的最近n个版本，可以设置参数定期进行垃圾收集。
以存储网页为例，存储的网页的时间戳是网页的抓取时间，垃圾收集机制能保证只存储最近3个版本的网页数据。

3.API
BigTable提供了建立和删除表以及列族的API，修改集群、表、列族元数据的API，例如访问权限。
客户端程序能通过这些API对BigTable进行如下操作：
（1）写入或者删除BigTable中的值；
（2）从每行中遍历、查找BigTable的表中的数据子集；
（3）单行上的事务处理，利用这个功能，可以对一个行关键字下的数据进行原子的读-更新-写操作（BigTable并不支持跨行的事务操作）；
（4）BigTable允许把数据项作为整数计数器；
（5）BigTable允许用户在服务器的地址空间执行脚本程序；
（6）BigTable可以和MapReduce一起使用，可以利用已开发的wrapper类，把BigTable当做MapReduce的输入和输出。

4.基础构件
BigTable是建立在其他几个Google基础构建基础上的高级别应用：
（1）BigTable使用GFS存储日志、数据文件；
（2）BigTable使用SSTable作为内部存储数据的格式；
（3）BigTable依赖于高可用、序列化的分布式所服务Chubby；

5.实现
BigTable包括三个主要组件：可链入客户端程序的库、一个Master服务器和多个子表（tablet）服务器；针对系统的负载情况，能够很容易的向集群中添加和删除子表服务器。
Master服务器主要负责以下工作：
（1）为子表服务器分配子表；
（2）检测加入或者失效的子表服务器；
（3）均衡子表服务器负载；
（4）对GFS上的文件进行垃圾回收；
（5）相关schema的修改与维护；
Tablet服务器主要负责的工作：
（1）管理子表集合；
（2）子表的读写处理；
（3）子表过大时，自动分隔；

和大部分的单Master分布式系统类似，数据流均不经过Master服务器，客户端直接和Tablet服务器通信，进行数据的读写。
BigTable的客户端程序不必通过Master服务器来获取子表的位置信息，大多数客户端程序甚至完全不用和Master交互。
一个BigTable集群存储了很多表，每个表包含一个子表集合，而每个子表包含某个范围内行的所有数据。初始状态下，每个表只有一个子表，随着数据量的增长，子表会自动分割为100M级别的多个子表。

5.1子表的位置
使用一个三层、类似B+数的结构存储子表的位置信息。

Google BigTable子表位置信息

图二：子表位置信息存储
（1）第一层是一个存储在Chubby中的文件，包含根子表（Root Tablet）的位置信息。
根子表包含了一个特殊的元数据（metadata）表里所有的子表位置信息。元数据表的每个子表包含一个用户子表的集合。
跟子表实际上是元数据表的第一个子表，它被特殊处理过–它永远不会被分割；
（2）第二层是其它各个元数据表，每个子表的位置信息都放在一个行关键字下面，这个关键字由子表所在表的标示符和子表的最后一行编码而成；
（3）第三册是用户子表表的位置信息；
客户端会在树状的存储结构查询子表的位置信息，并缓存这些信息。

5.2子表分配
任何时刻，一个子表只能分配给一个子表服务器。Master中记录了哪些可用的子表服务器，哪些子表分配给了哪些子表服务器等元信息。
当一个子表没有被分配，且某个子表服务器有足够的空间来装载子表，Master会发送装载控制指令给该子表服务器，完成子表的分配。
BigTable使用Chubby跟踪子表服务器的状态，当一个子表服务器启动时，在Chubby的指定目录下会创建一个唯一的文件，代表独占锁。
Master服务器实时监控这个目录，便能知道是否有新的子表服务器加入。如果丢失了独占锁，例如断网、会话丢失、子表服务器自然终止，就认为该子表服务器其停止了子表的服务。
此时Master服务器就会尽快的把子表分配给其他的子表服务器。
如果子表服务器挂掉之前来不及释放自己的独占锁也没有关系，Master会有定时心跳，尝试与子表服务器通信，若无回应，Master会主动解除Chubby上的文件锁。

Master启动时，必须要了解当前子表的分配状态，之后才能修改分配状态，启动步骤为：
（1）Master从Chubby获取唯一的Master锁，以防止集群进入其他的Master；
（2）Master扫描Chubby文件锁目录，获取正在运行的子表服务器列表；
（3）和所有子表服务器通信，获取所有子表分配信息；
（4）扫描元数据表获取所有子表的集合；

5.3子表服务

Google BigTable子表服务

图三：子表服务
如图所示，子表的持久化信息是保存在GFS上的。所有更新日志提交到重做（REDO）日志中。在这些更新操作中，最新提交的那些数据存放在一个排序的缓存中，我们称这个缓存为memtable；较早的更新存放在SSTable中。
为了恢复一个子表，子表服务器首先从元数据表中读取它的元数据，元数据包含组成这个子表的SSTable的列表，以及重做点（REDO point）的集合，这些重做点指向可能含有该子表数据的已提交日志。
子表服务器把SSTable的索引读进内存，通过再次执行重做点之后提交的更新再重建memtable。
（1）对子表服务器的写操作步骤：
检测操作格式，例如完整性；
检测发起者权限；
记录成功操作的日志；
写的内容插入到memtable里。
（2）对子表服务器的读操作步骤：
完整性与权限检查；
合并SSTable与memtable视图完成读数据的合并；

5.4数据压缩（compactions）
数据压缩分为三种：
（1）最小化压缩；
（2）合并压缩；
（3）最大化压缩；

随着写操作的执行，memtable的大小不断增加，当达到一个门限值时，就不再增长，而是转化为SSTable，写入GFS，这种压缩成为最小化压缩（Minor Compaction）
最小化压缩的目的：
（1）限制使用内存：memtable是在内存中的，必须限制大小；
（2）容灾恢复时，减少日志读取量：memtable中的数据是易失的，灾难恢复时，结合SSTABLE+最新的日志就能恢复所有数据；

每次最小化压缩会创建一个SSTable，如果一直实施最小化更新，创建更多的SSTable，则可能导致读操作来临时要读取多个SSTable上的更新数据以获取最新的结果；
解决该问题的方法是：定期后台合并SSTable和memtable的内容，组成的新有序SSTable，这个过程叫合并压缩（Merging Compaction），合并压缩完成后，合并之前的SSTable和memtable就能够被删除了。

合并所有SSTable的合并压缩称为最大化压缩（Major Compaction）；最大化压缩是为了解决合并压缩中可能存在被删除数据。
BigTable定期循环扫描所有子表，执行最大化压缩。这种机制允许BigTable按时回收被删除的资源。

6.优化
为了达到对用户的高性能、高可用、高可靠性要求，做了如下优化：
（1）局部性分组（locality groups）
为了提高访问效率，通常不会一起访问的列族分割成不同的局部性分组，例如网页、网页元数据。
（2）压缩（compression）
压缩的目的是减少存储空间；
（3）缓存（Caching）
（4）bloom filter优化
bloom filter是一个经典数据结构：它能快速准备的判断一个元素不在一个集合中。
Google用它来优化判断SSTable的位置。
（5）日志提交实现
追加日志；
日志关键字排序；
（6）快速恢复
子表从一个子表服务器转移到另一个子表服务器时，必须先做一次最小化压缩；
这样做的好处是，新子表服务器装载子表时不需要从日志中进行恢复。
（7）不变性
SSTable是固化到磁盘上的，因此其访问无需同步；
删除也可以通过标记完成；