Bigtable论文笔记

abstract 摘要

introduction 介绍

Data Model 数据模型

简述

  • BigTable是一个稀疏、分布式、持久化、多维度的有序Map
  • map的key含三个维度:row key、column key及时间戳,map的value是任意字节数组
  • 整个Map结构: (row:string, column:string, time:int64) → string
  • 如何得出这个结构的?潜在的使用需求分析

rows

  • 原子操作在row key这个维度,无论其中有多少个columns在读写,降低实现&使用复杂度
  • row key 排序,按照 lexicographic order 字典序
  • 多个连续的row组成一个row range,为一个tablet,一个table被动态分割成多个tablet,tablet是系统分布和负载均衡的单元
    • client可以根据排序特性设计row key以提供更好的局部性,因为排序上越靠近的row key,物理存储位置在一起的可能性会越高,因此范围读取速度也会更快

Column Families

  • 相同column key会被分到同一组,成为column families, 是一个访问控制单元 basic unit of access control
  • 在同一个column familiy的column key通常数据类型相同,会一起压缩
  • column family必须提前创建,为啥呢
    • 控制总 column families 数量 在百个级别
    • 减少运维中的column family变更
    • 与此相对应的是,column key的数量不受限制
  • column key的格式为 family:qualifier, family必须是可打印的字符,但qualifier可以是任意字节
  • 访问控制(access control)以及disk、memory的账单计费等,都在 column-family 这一层;通过访问控制,可以管理不同类型的数据,有的可以新增base数据,有的只能读base数据,然后基于base数据再新增派生的数据等等

Timestamps

  • 每个cell(由row key和column key定位)中可以存储一份数据的多个版本,通过时间戳进行索引
  • timestamp可以由bigtable设置,也可以由客户端指定
  • 版本按timestamp从大到小排序,版本大的先读取
  • 为了减小版本维护成本,有两种 column-family 维度的 版本回收策略
    • 客户端可以指定只保留最近N个版本
    • 或者自定义一个方法?足够新的数据才保存(比如近7天的版本)

API 提供的API

Building Blocks 资源结构依赖

  • 存储:GFS
    • 存储数据、日志文件
  • 调度系统:K8S类似
    • 调度任务、管理资源、系统监控、故障处理
  • 文件格式:Google SSTable 见leveldb
    • 底层存储文件的存储格式,按block存储数据,封装基本操作,有cache机制加快访问速度
  • 锁服务:Chubby 强依赖(chubby可用性上,2006年的论文中提供的数据并非100%可靠),用途如下
    • 确保某个时刻最多只有一个master
    • 存储bootstrap location
    • tablet server的注册与发现、生命周期管理
    • 存储schema信息,如column family信息
    • 存储access control访问控制列表

实现

三部分组件

  • client lib
    • 封装好的SDK
    • 直接和tablet server通信,不依赖master提供tablet位置信息
  • one master server
    • 负责分配tablet给tablet server
    • 检测tablet servers的增减
    • 平衡负载
    • 回收GFS中的文件(删除文件)
    • 处理schema变化,如table创建、column family创建
  • many tablet servers
    • 可动态增减
    • 管理多个tablets 每个server 10到1000个 tablet
    • 处理对tablet的读写请求
    • 分割过大的tablet
    • 每个tablet大小在 100-200MB左右

初始状态是 一个table只有一个tablet

Tablet位置信息管理

三层层级结构存储,类似B+树的结构

Bigtable Location

  • 第一层
    • 存放位置:chubby服务
    • 存储信息:root tablet,是一个特殊的table METADATA 众多tablets的第一个,这个tablet存储了这个特殊table对应的所有的tablets的位置信息,被特殊对待,永远不会split
  • 第二层
    • 存放位置:root tablet 对应的 METADATA table
    • 存储信息:row key(tablet对应的 table 标识如表名 和最后一行数据),value:位置信息
  • 第三层
    • 存放位置:METADATA table中 row 对应的位置信息
    • 存储信息:某个table对应的tablet的位置

通过这个设计,在128MB的METADATA大小限制下,可以对 2^34 个tablets进行寻址

客户端获取tablet位置信息

  • 缓存tablet位置信息
  • 若某个tablet信息未缓存,或者信息不正确,则通过上述层级重新构建客户端缓存

Tablet的管理

组件的关系描述

  • tablet server
    • 一个tablet由一个tablet server管理,一个tablet server管理多个tablet
    • 使用chubby对tablet servers做服务注册&发现,master监控对应目录来发现所有的tablet servers,在chubby中的表示为一个全局唯一的文件
    • tablet server从chubby获取排它锁,如果锁丢失则停止对属于该tablet server的tablet提供服务
    • 当chubby的锁文件存在时,tablet server会不停的更新排它锁,如果锁文件不存在,tablet server会停止服务,终止进程
    • 当tabet server停止时,会尝试释放锁,这样master server会更快的将它的tablets分配出去
  • master server
    • master server记录所有的tablet servers和tablets映射关系,以及未分配的tablets
      • 当一个tablet没有被分配,且有一个tablet server有足够的空间时,master server对这个tablet server发起一个tablet load请求
    • 负责监测tablet server的状态,并尽快将停止的tablet server对应的tablets分发出去
    • tablet server监测是通过周期性的询问每个tablet server当前锁状态,如果tablet server返回锁已丢失或者无法访问到tablet server,master会认定tablet server停止服务,并尝试获取在chubby中对应tablet server的文件的排它锁;若master获取锁成功,意味着chubby是ok的,但tablet server要么跪了要么连接不到chubby,此时master确信该tablet server无法对它所属的tablet提供服务,从而删掉对应的chubby文件
    • 一旦tablet server的chubby文件被删除,master可以将其对应的tablets映射关系移动到未分配的tablets类别中,进行重新分配
    • 为了确保master与chubby间的网络访问不受网络问题影响,如果master的chubby session过期,master会终止自己,master故障不影响现有的tablet和tablet server的映射关系,只是没有继续更新映射关系而已
  • master server启动过程
    1. 获取chubby中唯一的master文件的排他锁 避免同时启动多个master
    2. 扫描chubby中的tablet server目录以找到运行的tablet server
    3. 与tablet server沟通 获取tablet server与tablets的映射关系
    4. 扫描 METADATA table 获取tablets全集,当发现某个tablet没有所属的tablet server,将对应的tablet放到等待分配tablet server的组中
      1. 扫描过程必须发生在 METADATA table 的所有tablets都分配给tablet server后,因此如果root tablet没有对应的tablet server,那么master将root tablet添加到待分配tablet server的组中,因为root tablet包含所有METADATA对应的tablets的id,所以当master扫描一次root tablet之后就知道所有的METADATA对应的tablets是否被分配出去
  • tablet的分裂
    • 当某个tablet太大超过阈值时会进行分裂,由tablet server发起,分裂完成后通知master server
    • 通知可能会丢失,所以master也有主动询问的机制,在master向tablet发起load tablet请求时,tablet server

Tablet关键过程

  • tablet的恢复
    • tablet server从METADATA中读取元信息,包含SSTable文件列表和redo位置
    • 先加载SSTables的索引到内存中
    • 然后加载redo位置之后的所有写操作到内存的memtable中
  • tablet写入
    • tablet server接收客户端的写入请求,合法性&权限校验
      • 权限映射放在chubby中
    • 写入请求先到redo log中,再到内存中的memtable
  • tablet读取
    • tablet server接收客户端的读取请求,合法性&权限校验
    • 读取先读内存中的memtable 再找SSTable文件

Compaction

  • minor compaction
    • 操作:内存中的memtable大小达到阈值,会dump成SSTable写到GFS中
    • 目标
      • 降低tablet server的内存使用量
      • 降低tablet恢复时所需要读取的redo log量(因为SSTable已经持久化,读取redo log只是恢复内存中未持久化的数据)
  • merging compaction (这个和leveldb 的major compaction类似)
    • 操作:部分SSTable以及内存中的memtable多路归并为一个SSTable
    • 目标
      • 减少SSTable文件数,减少IO次数,提高读取速度
  • major compaction (和leveldb中的不太一样,Bigtable中的major compaction 是一个 full compaction,将所有的SSTable多路归并为一个SSTable)
    • 操作:所有SSTable多路归并为一个SSTable
    • 目标
      • 减少SSTable文件数,减少IO次数,提高读取速度
      • 彻底删除有deleted标识的key,第一次delete只是加了个标识,major compaction才会真正删除数据

优化手段归纳

locality group

  • 客户端可以把多个 column families 分组成为一个locality group,对locality group会生成一个单独的SSTable,以提高读相同locality group下多个column的速度
  • locality group提供更高级的调优参数,如内存cache

Compression

  • 客户端可以指定是否压缩以及压缩格式,可针对不同类型数据做不同的处理

read cache

tablet server支持两层cache

  • scan cache 缓存 key-value 对;可以提高热key访问速度
  • block cache 缓存SSTable blocks;可以提高范围访问速度

Bloom filters

  • 快速判断某个row/column对是否在某个SSTable中,减少文件读取数量,减少IO次数
  • 极大提高读取不存在的 row/column 的速度

Commit-log优化

  • 一个tablet server下管理多个tablet,所有tablet的commit log都写到同一个GFS文件中,减少文件数
    • 坏处 在recovery阶段引入复杂度
      • 当某个tablet server挂了,tablets会被重新分配到其它tablet server,通常一个tablet server会被分配部分tablets,这时合并后的commit log中就会包含其它tablets的commit log数据,造成recovery慢以及读取没用数据的问题
      • 解法:先sort再读取,sort顺序 <table, row name, log seq number>,sort也是并行进行的,由master server进行统一协调
  • GFS写毛刺优化,通过线程池(两个线程)

Tablet Recovery提速

  • master移动tablet前,原来的tablet server先进行一次minor compaction,将内存中的数据尽可能多的持久化到SSTable中
  • 原来的tablet server停止服务后,unload之前,再进行一次minor compaction,将所有内存数据都持久化到SSTable中,避免了tablet move后需要读取redo log数据进行内存memtable重建

immutability 不可变

  • memtable row 采用 copy-on-write 机制,读写并行进行
  • immutable避免了很多并发更新的问题
  • immutable SSTable可以提高tablet split的速度,子tablet可以共享父tablet的SSTable

性能评估

案例介绍

经验教训

  • 遇到的错误种类比想象的多,对系统持续更新升级,没有一劳永逸的设计
  • 加新特性一定要慎重,要根据真实使用场景来设计
  • 系统监控很重要
  • simple design的价值

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