云计算（1.3）Google云计算三大核心技术 - 分布式结构化数据表BigTable

前言

前面学习了GFS（分布式存储系统），MapReduce（分布式数据处理）
接下来学习最后一个技术：分布式结构化数据表BigTable

谷歌技术"三宝"之BigTable
Google Bigtable 中文版

引进BigTable

GFS（2003年发表）使用商用硬件集群存储海量数据。文件系统将数据在节点之间冗余复制。MapReduce（2004）是GFS架构的一个补充，因为它能够充分利用GFS集群中所有低价服务器提供的大量CPU

但是两个系统都有一定的缺陷：

两个系统都缺乏实时随机存取数据的能力，意味着尚不足以处理Web服务
GFS的另一个缺陷就是，它适合存储少许非常非常大的文件，而不适合存储成千数万的小文件，文件越多master的压力越大

考虑放弃关系型的特点，采用简单的API来进行增删改查操作，另加一个扫描函数，以在较大的键范围或全表上迭代扫描，最终形成一个管理结构化数据的分布式存储系统BigTable（2006）

GFS MapReduce BigTable关系

BigTable数据模型

BigTable是分布式多维映射表，是一个稀疏的、分布式的、持久化存储的多维度排序Map

持久化的意思很简单，Bigtable的数据最终会以文件的形式放到GFS，即可以长时间保存
Bigtable建立在GFS之上本身就意味着分布式

稀疏的意思是，一个表里不同的行，列可能完完全全不一样

Map

Map键值对，键有三维：行关键字、列关键字、时间戳
有四个属性：行关键字、列关键字、时间戳、值

行row

行键可以是任意字节串，通常有10-100字节。
行的读写都是原子性的。
Bigtable按照行键的字典序存储数据。

将网址作为行关键字
采用网址倒置(cn.com.sina.www):方便判断不同的行
可任意多行

Bigtable的表会根据行键自动划分为片（tablet），片是负载均衡的单元。最初表都只有一个片，但随着表不断增大，片会自动分裂，片的大小控制在100-200MB。行是表的第一级索引

列column

列是第二级索引，每行拥有的列是不受限制的，可以随时增加减少。
为了方便管理，列被分为多个列族（column family，是访问控制的单元）,以列族：限定词的形式区分：“内容：”，“超链接：新闻”
可任意多列

时间戳

时间戳是第三级索引，用于处理版本更新
数据的不同版本按照时间戳降序存储，因此先读到的是最新版本的数据

t1,t2,t3就是时间戳

查询时，如果只给出行列，那么返回的是最新版本的数据；
如果给出了行列时间戳，那么返回的是时间小于或等于时间戳的数据（即该版本及以前的版本）

系统架构

BigTable包括三个主要部分：一个供客户端使用的库，一个主服务器（master server），许多片服务器\子表服务器（tablet server）

Tablet Server

BigTable将表按行分成片（tablet）
一个子表服务器负责一定量的片，处理对其片的读写请求，以及片的分裂或合并
片服务器可以根据负载随时添加和删除
片服务器并不真实存储数据，而相当于一个连接Bigtable和GFS的代理，客户端的一些数据操作都通过片服务器代理间接访问GFS

Master Server

主服务器负责将片分配给片服务器，监控片服务器的添加和删除，平衡片服务器的负载，处理表和列族的创建等。注意，主服务器不存储任何片，不提供任何数据服务，也不提供片的定位信息（与GFS不同）

客户端

客户端需要读写数据时，直接与片服务器联系。因为客户端并不需要从主服务器获取片的位置信息，所以大多数客户端从来不需要访问主服务器，主服务器的负载一般很轻

Table的位置

既然Master Server不负责表的位置信息，那么表的位置在哪

通过阅读BigTable论文可以知道
以一个三层的、类似B+树的结构存储tablet
第一层，Chubby file。这一层是一个Chubby文件，它保存着root tablet的位置。这个Chubby文件属于Chubby服务的一部分，一旦Chubby不可用，就意味着丢失了root tablet的位置，整个Bigtable也就不可用了

第二层是root tablet。root tablet其实是元数据表（METADATA table）的第一个分片，它保存着元数据表其它片的位置，root table永远不会被分割，保证了Tablet的存储信息结构永远是三层

第三层是其它的元数据片，它们和root tablet一起组成完整的元数据表。每个元数据片都包含了许多用户片的位置信息。

位置及分配功能要彻底明白需要挺多知识点，暂时搞不懂，跳过

Tablet服务

BigTable最终片还是要保存在GFS中持久化

将片数据存入GFS:片在GFS里的物理形态就是若干个SSTable文件
下图展示了读写情况

当片服务器收到一个写请求，片服务器首先检查请求是否合法。如果合法，先将写请求提交到日志去，然后将数据写入内存中的memtable。memtable相当于SSTable的缓存，当memtable成长到一定规模会被冻结，Bigtable随之创建一个新的memtable，并且将冻结的memtable转换为SSTable格式写入GFS，这个操作称为minor compaction。

当片服务器收到一个读请求，同样要检查请求是否合法。如果合法，这个读操作会查看所有SSTable文件和memtable的合并视图，因为SSTable和memtable本身都是已排序的，所以合并相当快。

每一次minor compaction都会产生一个新的SSTable文件，SSTable文件太多读操作的效率就降低了，所以Bigtable定期执行merging compaction操作，将几个SSTable和memtable合并为一个新的SSTable。BigTable还有个更厉害的叫major compaction，它将所有SSTable合并为一个新的SSTable。