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1、of56第 2 章Google云计算原理与应用（二）of56云计算第三版配套PPT课件目录 目录 2.1 Google文件系统GFS2.2 分布式数据处理MapReduce2.3 分布式锁服务Chubby2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.5 分布式存储系统Megastore2.6 大规模分布式系统的监控基础架构Dapper2.7 海量数据的交互式分析工具Dremel2.8 内存大数据分析系统PowerDrill2.9 Google应用程序引擎of56云计算第三版配套PPT课件初步了解ChubbyChubby是Google设计的提供粗粒度锁服务的一个文件系统，它基于松耦合分布式系统，
2、解决了分布的一致性问题。通过使用Chubby的锁服务，用户可以确保数据操作过程中的一致性Chubby作为一个稳定的存储系统存储包括元数据在内的小数据Google内部还使用Chubby进行名字服务（Name Server）32.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件PaxosPaxos算法算法 Paxos算法算法 Leslie Lamport最先提出的一种基于消息传递（最先提出的一种基于消息传递（Messages Passing）的一致性算法，用于解决）的一致性算法，用于解决分布式系统中的一致性分布式系统中的一致性问题问题 分布式系统一致性问题分布式系统一致性问题就是如何
3、保证系统就是如何保证系统中初始状态相同的各个节点在执行相同的操作中初始状态相同的各个节点在执行相同的操作序列时，看到的指令序列是完全一致的，并且序列时，看到的指令序列是完全一致的，并且最终得到完全一致的结果最终得到完全一致的结果 一个最简单的方案在分布式系统中设置一个专门节点，在每次需要进行操作之前，系统的各个部分向它发出请求，告诉该节点接下来系统要做什么。该节点接受第一个到达的请求内容作为接下来的操作，这样就能够保证系统只有一个唯一的操作序列 方案存在什么缺陷？of56云计算第三版配套PPT课件PaxosPaxos算法算法缺陷缺陷专门节点失效，整专门节点失效，整个系统就很可能出现不一致。个系
4、统就很可能出现不一致。为了避免这种情况，在系统为了避免这种情况，在系统中必然要设置多个专门节点，中必然要设置多个专门节点，由这些节点来共同决定操作由这些节点来共同决定操作序列序列 Paxos算算法法 proposers提出决议（Value，系统接下来执行的指令）acceptors批准决议 learners获取并使用已经通过的决议 of56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos算法2.3.2 Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6 正确性与性能of56云计算第三版配套PPT
5、课件Paxos算法proposersacceptorslearners提出决议批准决议获取并使用已经通过的决议三类节点决议只有在被proposers提出后才能批准每次只批准一个决议只有决议确定被批准后learners才能获取这个决议三个条件72.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件系统的约束条件p1：每个acceptor只接受它得到的第一个决议。p2：一旦某个决议得到通过，之后通过的决议必须和该决议保持一致。p2a：一旦某个决议v得到通过，之后任何acceptor再批准的决议必须是v。p2b：一旦某个决议v得到通过，之后任何proposer再提出的决议必须是v。p2c
6、：如果一个编号为n的提案具有值v，那么存在一个“多数派”，要么它们中没有谁批准过编号小于n的任何提案，要么它们进行的最近一次批准具有值v。为了保证决议的唯一性，acceptors也要满足一个约束条件：当且仅当 acceptors 没有收到编号大于n的请求时，acceptors 才批准编号为n的提案。82.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件9一个决议分为两个阶段准备阶段12批准阶段proposers选择一个提案并将它的编号设为n将它发送给acceptors中的一个“多数派”acceptors 收到后，如果提案的编号大于它已经回复的所有消息，则acceptors将自己上
7、次的批准回复给proposers，并不再批准小于n的提案。当proposers接收到acceptors 中的这个“多数派”的回复后，就向回复请求的acceptors发送accept请求，在符合acceptors一方的约束条件下，acceptors收到accept请求后即批准这个请求。2.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos算法2.3.2 Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6 正确性与性能of56云计算第三版配套PPT课件54611C
8、hubby的设计目标主要有以下几点高可用性和高可靠性213高扩展性支持粗粒度的建议性锁服务服务信息的直接存储支持通报机制支持缓存机制2.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件系系统统设设计计目目标标Chubby系统设计高可用性和高可靠性；首要目标，在保证这一目标的基础上再考虑系统的吞吐量和存储能力 高扩展性；将数据存储在价格较为低廉的RAM，支持大规模用户访问文件 支持粗粒度的建议性锁服务；提供这种服务的根本目的是提高系统的性能 服务信息的直接存储；可直接存储包括元数据、系统参数在内的有关服务信息支持通报机制；客户可以及时地了解到事件发生 支持缓存机制；通过一致性缓存将
9、常用信息保存在客户端，避免了频繁地访问主服务器 of56云计算第三版配套PPT课件Chubby系统设计Chubby中还添加了一些新的功能特性；这种设计主要是考虑到以下几个问题 030302020101n开发者初期很少考虑系统开发者初期很少考虑系统的一致性，但随着开发进的一致性，但随着开发进行，问题会变得越来越严行，问题会变得越来越严重。单独的锁服务可以保重。单独的锁服务可以保证原有系统架构不会发生证原有系统架构不会发生改变，而使用函数库很可改变，而使用函数库很可能需要对系统架构做出大能需要对系统架构做出大幅度的改动幅度的改动 n系统中很多事件发生是需系统中很多事件发生是需要告知其他用户和服务器
10、，要告知其他用户和服务器，使用一个基于文件系统的使用一个基于文件系统的锁服务可以将这些变动写锁服务可以将这些变动写入文件中。有需要的用户入文件中。有需要的用户和服务器直接访问这些文和服务器直接访问这些文件即可，避免因大量系统件即可，避免因大量系统组件之间事件通信带来系组件之间事件通信带来系统性能下降统性能下降 n基于锁的开发接口容易基于锁的开发接口容易被开发者接受。虽然在被开发者接受。虽然在分布式系统中锁的使用分布式系统中锁的使用会有很大的不同，但是会有很大的不同，但是和一致性算法相比，锁和一致性算法相比，锁显然被更多的开发者所显然被更多的开发者所熟知熟知 of56云计算第三版配套PPT课件C
11、hubby系统设计Paxos算法实现过程中需要一个“多数派多数派”就某个值达成一致，本质上就是分布式系统中常见的quorum机制机制；为保证系统高可用性，需要若干台机器，但使用单独锁服务的话一台机器也能保证这种高可用性Chubby设计过程中一些细节问题值得关注：在Chubby系统中采用了建议性的锁而没有采用强制性的锁。两者的根本区别在于用户访问某个被锁定的文件时，建议性用户访问某个被锁定的文件时，建议性的锁不会阻止访问，而强制性的锁则会阻止访问，实际上这的锁不会阻止访问，而强制性的锁则会阻止访问，实际上这是为了方便系统组件之间的信息交互是为了方便系统组件之间的信息交互另外，Chubby还采用了
12、粗粒度（Coarse-Grained）锁服务而没有采用细粒度（Fine-Grained）锁服务，两者的差异在于持有锁的时间，细粒度的锁持有时间很短细粒度的锁持有时间很短of56云计算第三版配套PPT课件客户端应用程序客户端应用程序Chubby程序率Chubby程序率远程过程调用Chubby单元的五个服务器主服务器客户端进程15Chubby的基本架构在客户这一端每个客户应用程序都有一个Chubby程序库（Chubby Library），客户端的所有应用都是通过调用这个库中的相关函数来完成的。服务器一端称为Chubby单元，一般是由五个称为副本（Replica）的服务器组成的，这五个副本在配置上完
13、全一致，并且在系统刚开始时处于对等地位。客户端服务器端2.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos算法2.3.2 Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6 正确性与性能of56云计算第三版配套PPT课件Chubby中的Paxos单个单个Chubby副本结构副本结构 容错日志容错日志对数据库正确性提供重要支持；一致性由Paxos算法保证；副本之间通过特定的Paxos协议通信，同时本地文件中保存与Chubby中相同的日志数据 容错数据库容错数据
14、库快照（Snapshot）和记录数据库操作重播日志（Replay-log）；每一次的数据库操作最终都将提交至日志中；本地文件中也保存着一份数据库数据副本 Chubby构建在这个容错的数据库之上，Chubby利用这个数据库存储所有的数据。Chubby的客户端通过特定的Chubby协议和单个的Chubby副本进行通信 of56云计算第三版配套PPT课件Chubby中的Paxos容错日志的容错日志的API Content Title Content TitleChubby中中Paxos算法过程算法过程 2 2、协调者从客户提交的值中选择一个，、协调者从客户提交的值中选择一个，acceptaccept
15、消息广播给所有的副本，其他的副消息广播给所有的副本，其他的副本收到广播后，选择接受或者拒绝这个值，本收到广播后，选择接受或者拒绝这个值，并将决定结果反馈并将决定结果反馈3、协调者收到大多数副本接受信息后，、协调者收到大多数副本接受信息后，认为达到了一致性，接着向相关副本发认为达到了一致性，接着向相关副本发送一个送一个commit消息消息 1、选择一副本为协调者、选择一副本为协调者（Coordinator）of56云计算第三版配套PPT课件Chubby中的PaxosChubby设计者借鉴了Paxos的两种解决机制：给协调者指派序号或限制协调者可以选择的值 指派序号的方法 （1）在一个有n个副本系
16、统中，为每个副本分配一个id:ir，其中 0irn-1。则副本的序号s=k*n+ir，其中k的初始值为0 （2）某个副本想成为协调者之后，它就根据规则生成一个比它以前的序号更大的序号（实际上就是提高k的值），并将这个序号通过propose消息广播给其他所有的副本 （3）如果接受到广播的副本发现该序号比它以前见过的序号都大，则向发出广播的副本返回一个promise消息，并且承诺不再接受旧的协调者发送的消息。如果大多数副本都返回了promise消息，则新的协调者就产生了 限制协调者可以选择的值 Paxos强制新的协调者必须选择和前任相同的值 of56云计算第三版配套PPT课件Chubby中的Pax
17、osChubby做了一个重要优化来提高系统效率在选择某一个副本作为协调者之后就长期不变，此时协调者就被称为主服务器（Master）客户端的数据请求由主服务器完成，Chubby保证在一定时间内有且仅有一个主服务器，这个时间就称为主服务器租约期（Master Lease）客户端需要确定主服务器的位置，可向DNS发送一个主服务器定位请求，非主服务器的副本将对该请求做出回应 Chubby对于Paxos论文中未提及的一些技术细节进行了补充，所以Chubby的实现是基于Paxos，但其技术手段更加的丰富，更具有实践性 of56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos
18、算法2.3.2 Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6 正确性与性能of56云计算第三版配套PPT课件Chubby文件系统Chubby系统本质上就是一个分布式的、存储大量小文件的分布式的、存储大量小文件的文件系统文件系统，它所有的操作都是在文件的基础上完成Chubby最常用的锁服务中，每一个文件就代表一个锁，用户通过打开、关闭和读取文件，获取共享（Shared）锁或独占（Exclusive）锁选举主服务器过程中，符合条件的服务器都同时申请打开某个文件并请求锁住该文件成功获得锁的服务器自动成为主服务器并将其地址写入
19、这个文件夹，以便其他服务器和用户可以获知主服务器的地址信息of56云计算第三版配套PPT课件Chubby文件系统Chubby的文件系统和UNIX类似 例如在文件名“/ls/foo/wombat/pouch”中，ls代表lock service，这是所有Chubby文件系统的共有前缀；foo是某个单元的名称；/wombat/pouch则是foo这个单元上的文件目录或者文件名 Google对Chubby做了一些与UNIX不同的改变 例如Chubby不支持内部文件的移动；不记录文件的最后访问时间；另外在Chubby中并没有符号连接（Symbolic Link，又叫软连接，类似于Windows系统中的
20、快捷方式）和硬连接（Hard Link，类似于别名）的概念 在具体实现时，文件系统由许多节点组成，分为永久型和临时型，每个节点就是一个文件或目录。节点中保存着包括ACL（Access Control List，访问控制列表）在内的多种系统元数据 of56云计算第三版配套PPT课件24单调递增的64位编号实例号Instance Number新节点实例号必定大于旧节点的实例号。1锁生成号Lock Generation Number锁被用户持有时该号增加。内容生成号Content Generation Number文件内容修改时该号增加。23ACL生成号ACL Generation NumberAC
21、L名被覆写时该号增加。42.3 分布式锁服务Chubbyof56云计算第三版配套PPT课件Chubby文件系统序号：确定句柄由当前还是以前的主服务器创建序号：确定句柄由当前还是以前的主服务器创建2模式信息：用于新的主服务器重新创建一个旧句柄模式信息：用于新的主服务器重新创建一个旧句柄 3用户打开某个节点的同时会获取一个类似于UNIX中文件描述符（File Descriptor）的句柄，这个句柄由以下三个部分组成 校验数位：防止其他用户创建或猜测这个句柄校验数位：防止其他用户创建或猜测这个句柄 1of56云计算第三版配套PPT课件Chubby文件系统在实际执行中，为了避免所有的通信都使用序号带来
22、系统开销增长，Chubby引入了sequencer的概念sequencer实际上就是一个序号，只能由锁的持有者在获取锁时向系统发出请求来获得。这样一来Chubby系统中只有涉及锁的操作才需要序号，其他一概不用。在文件操作中，用户可以将句柄看做一个指向文件系统的指针 函 数 名 称作 用Open()打开某个文件或者目录来创建句柄Close()关闭打开的句柄，后续的任何操作都将中止Poison()中止当前未完成及后续的操作，但不关闭句柄GetContentsAndStat()返回文件内容及元数据GetStat()只返回文件元数据ReadDir()返回子目录名称及其元数据SetContents()向
23、文件中写入内容SetACL()设置ACL名称Delete()如果该节点没有子节点的话则执行删除操作Acquire()获取锁Release()释放锁GetSequencer()返回一个sequencerSetSequencer()将sequencer和某个句柄进行关联CheckSequencer()检查某个sequencer是否有效常用句柄函数及其作用常用句柄函数及其作用 of56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos算法2.3.2 Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6
24、正确性与性能of56云计算第三版配套PPT课件Chubby系统设计Chubby基本架构：客户端基本架构：客户端和服务器端，两者通过远程和服务器端，两者通过远程过程调用（过程调用（RPC）来连接）来连接客户端每个客户应用程序都客户端每个客户应用程序都有一个有一个Chubby程序库程序库（Chubby Library），所），所有应用都是通过调用这个库有应用都是通过调用这个库中相关函数来完成中相关函数来完成服务器一端服务器一端Chubby单元，单元，一般由五个称为副本一般由五个称为副本（Replica）服务器组成，）服务器组成，它们配置上完全一致，且系它们配置上完全一致，且系统刚开始时处于对等地位
25、统刚开始时处于对等地位 of56云计算第三版配套PPT课件ChubbyChubby客户端与服务器端的通信过程客户端与服务器端的通信过程 从左到右的水平方向表示时间在增加，斜向上的箭头表示一次KeepAlive请求，斜向下的箭头则是主服务器的一次回应 M1、M2、M3表示不同的主服务器租约期主服务器租约期；C1、C2、C3则是客户端对主服务器租约期时长租约期时长做出的一个估计 KeepAlive是周期发送的一种信息，它主要有两方面的功能：延迟租约的延迟租约的有效期有效期和携带事件信息告诉用户更新携带事件信息告诉用户更新 of56云计算第三版配套PPT课件30可能出现的两种故障2.3 分布式锁服务
26、Chubby客户端租约过期主服务器出错12of56云计算第三版配套PPT课件客户端租约过期故障处理客户端租约过期故障处理 客客户户端端租租约约过过期期 客户端向主服务器发出一个客户端向主服务器发出一个KeepAlive请求（上图请求（上图1）如果有需要通知的事件时则主服务器会立刻做出回应，否则等到客户如果有需要通知的事件时则主服务器会立刻做出回应，否则等到客户端的租约期端的租约期C1快结束的时候才做出回应（图快结束的时候才做出回应（图2），并更新主服务器租约），并更新主服务器租约期为期为M2 客户端接到回应后认为该主服务器仍处于活跃状态，于是将租约期更客户端接到回应后认为该主服务器仍处于活跃状
27、态，于是将租约期更新为新为C2并立刻发出新的并立刻发出新的KeepAlive请求（图请求（图3）宽限期内，客户端不会立刻断开其与服务器端的联系，而是不断地做宽限期内，客户端不会立刻断开其与服务器端的联系，而是不断地做探询，当它接到客户端的第一个探询，当它接到客户端的第一个KeepAlive请求（图请求（图4）时会拒绝（图）时会拒绝（图5）客户端在主服务器拒绝后使用新纪元号来发送客户端在主服务器拒绝后使用新纪元号来发送KeepAlive请求（图请求（图6）新的主服务器接受这个请求并立刻做出回应（图新的主服务器接受这个请求并立刻做出回应（图7）如果客户端接收到这个回应的时间仍处于宽限期内，系统会恢
28、复到安全如果客户端接收到这个回应的时间仍处于宽限期内，系统会恢复到安全状态，租约期更新为状态，租约期更新为C3。如果在宽限期未接到主服务器的相关回应，客。如果在宽限期未接到主服务器的相关回应，客户端终止当前的会话户端终止当前的会话of56云计算第三版配套PPT课件主服务器出错故障处理主服务器出错故障处理 主主服服务务器器出出错错 正常情况下旧的主服务器出现故障后系统会很快地选举出新的主服务器，正常情况下旧的主服务器出现故障后系统会很快地选举出新的主服务器，新选举需要经历以下九个步骤：新选举需要经历以下九个步骤：（1 1）产生一个新的纪元号以便今后客户端通信时使用，这能保证当前的主服务）产生一个
29、新的纪元号以便今后客户端通信时使用，这能保证当前的主服务器不必处理针对旧的主服务器的请求器不必处理针对旧的主服务器的请求（2 2）只处理主服务器位置相关的信息，不处理会话相关的信息）只处理主服务器位置相关的信息，不处理会话相关的信息（3 3）构建处理会话和锁所需的内部数据结构）构建处理会话和锁所需的内部数据结构（4 4）允许客户端发送）允许客户端发送KeepAliveKeepAlive请求，不处理其他会话相关的信息请求，不处理其他会话相关的信息（5 5）向每个会话发送一个故障事件，促使所有的客户端清空缓存）向每个会话发送一个故障事件，促使所有的客户端清空缓存（6 6）等待直到所有的会话都收到故
30、障事件或会话终止）等待直到所有的会话都收到故障事件或会话终止（7 7）开始允许执行所有的操作）开始允许执行所有的操作（8 8）如果客户端使用了旧的句柄则需要为其重新构建新的句柄）如果客户端使用了旧的句柄则需要为其重新构建新的句柄（9 9）一定时间段后（）一定时间段后（1 1分钟），删除没有被打开过的临时文件夹分钟），删除没有被打开过的临时文件夹如果这一过程在宽限期内顺利完成，则用户不会感觉到任何故障的发生，也就是说新旧主服务器的替换对于用户来说是透明透明的的，用户感觉到的仅仅是一个延迟延迟 of56云计算第三版配套PPT课件2.3 分布式锁服务Chubby2.3.1 Paxos算法2.3.2
31、Chubby系统设计2.3.3 Chubby中的Paxos2.3.4 Chubby文件系统2.3.5 通信协议2.3.6 正确性与性能of56云计算第三版配套PPT课件34一致性2.3 分布式锁服务Chubby正确性与性能每个Chubby单元是由五个副本组成的，这五个副本中需要选举产生一个主服务器，这种选举本质上就是一个一致性问题安全性采用的是ACL形式的安全保障措施。只要不被覆写，子节点都是直接继承父节点的ACL名性能优化提高主服务器默认的租约期、使用协议转换服务将Chubby协议转换成较简单的协议、客户端一致性缓存等of56云计算第三版配套PPT课件一致性 每个Chubby单元是由五个副本
32、组成的，这五个副本中需要选举产生一个主服务器，这种选举本质上就是一个一致性问题。实际执行过程中，Chubby使用Paxos算法来解决 主服务器产生后客户端的所有读写操作都是由主服务器来完成的 读操作很简单，客户直接从主服务器上读取所需数据即可 写操作就会涉及数据一致性的问题；为了保证客户的写操作能够同步到所有的服务器上，系统再次利用了Paxos算法of56云计算第三版配套PPT课件安全性 Chubby用ACL形式安全保障措施。系统有三种ACL名：写ACL名（Write ACL Name）、读ACL名（Read ACL Name）和变更ACL名（Change ACL Name）只要不被覆写，子节
33、点都是直接继承直接继承父节点的ACL名 ACL同样被保存在文件中，它是节点元数据的一部分，用户在进行相关操作时首先需要通过ACL来获取相应的授权授权 Chubby的ACL机制 用户用户chinacloud提出向文件提出向文件CLOUD中写入内中写入内容请求。容请求。CLOUD首先读取自身的写首先读取自身的写ACL名名fun，接着在，接着在fun中查到了中查到了chinacloud这一行记录，这一行记录，于是返回信息允许于是返回信息允许chinacloud对文件进行写操对文件进行写操作，此时作，此时chinacloud才被允许向才被允许向CLOUD写入写入内容。其他的操作和写操作类似内容。其他的
34、操作和写操作类似of56云计算第三版配套PPT课件性能优化 为满足系统高可扩展性，Chubby目前已经采取了一些措施：比如提高主服务器默认的租约期、使用协议转换服务将Chubby协议转换成较简单的协议、客户端一致性缓存等；除此之外，Google的工程师们还考虑使用代理（Proxy）和分区（Partition）技术 代理可以减少主服务器处理KeepAlive以及读请求带来的服务器负载，但是它并不能减少写操作带来的通信量 使用分区技术的话可以将一个单元的命名空间（Name Space）划分成N份。除了少量的跨分区通信外，大部分的分区都可以独自地处理服务请求。通过分区可以减少各个分区上的读写通信量，
35、但不能减少KeepAlive请求的通信量 of56云计算第三版配套PPT课件目录 目录 2.1 Google文件系统GFS2.2 分布式数据处理MapReduce2.3 分布式锁服务Chubby2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.5 分布式存储系统Megastore2.6 大规模分布式系统的监控基础架构Dapper2.7 海量数据的交互式分析工具Dremel2.8 内存大数据分析系统PowerDrill2.9 Google应用程序引擎38of56云计算第三版配套PPT课件2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.4.1 设计动机与目标2.4.2 数据模型2.4.3 系统架构2.4
36、.4 主服务器2.4.5 子表服务器2.4.6 性能优化of56云计算第三版配套PPT课件402.4 分布式结构化数据表BigtableBigtable 的设计动机123需要存储的数据种类繁多海量的服务请求商用数据库 无法满足需求包括URL、网页内容、用户的个性化设置在内的数据都是Google需要经常处理的Google运行着目前世界上最繁忙的系统，它每时每刻处理的客户服务请求数量是普通的系统根本无法承受的一方面现有商用数据库的设计着眼点在于其通用性。另一方面对于底层系统的完全掌控会给后期的系统维护、升级带来极大的便利of56云计算第三版配套PPT课件412.4 分布式结构化数据表Bigtabl
37、eBigtable 应达到的基本目标广泛的适用性很强的可扩展性高可用性简单性Bigtable是为了满足一系列Google产品而并非特定产品的存储要求。根据需要随时可以加入或撤销服务器确保几乎所有的情况下系统都可用底层系统的简单性既可以减少系统出错的概率，也为上层应用的开发带来便利of56云计算第三版配套PPT课件2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.4.1 设计动机与目标2.4.2 数据模型2.4.3 系统架构2.4.4 主服务器2.4.5 子表服务器2.4.6 性能优化of56云计算第三版配套PPT课件43Bigtable数据的存储格式2.4 分布式结构化数据表BigtableBig
38、table是一个分布式多维映射表，表中的数据通过一个行关键字（Row Key）、一个列关键字（Column Key）以及一个时间戳（Time Stamp）进行索引Bigtable的存储逻辑可以表示为：(row:string,column:string,time:int64)stringBigtable对存储在其中的数据不做任何解析，一律看做字符串of56云计算第三版配套PPT课件44Bigtable数据的存储格式2.4 分布式结构化数据表Bigtable假设想要拷贝一个可能被很多项目都使用的、很大的网页集合以及相关的信息，把这个特定的表称为Webtable。在Webtable当中，使用URL作
39、为行键，网页的不同方面作为列键，并把网页的内容存储在contents:column中，如图所示图存储了网页数据的Webtable的一个片段。行名称是反转的URL，contents列家族包含了网页内容，anchor列家族包含了任何引用这个页面的anchor文本。CNN的主页被Sports Illustrated和MY-look主页同时引用，因此，行包含了名称为”anchor:”和”anchor:my.look.ca”的列。每个anchor单元格都只有一个版本，contents列有三个版本，分别对应于时间戳t3,t5和t6。of56云计算第三版配套PPT课件数据模型行 Bigtable的行关键字可
40、以是任意的字符串，但是大小不能超过的行关键字可以是任意的字符串，但是大小不能超过64KB。Bigtable和传统的关系型数据库有很大不同，它不支持一般意义上的和传统的关系型数据库有很大不同，它不支持一般意义上的事务，但能保证对于行的读写操作具有原子性（事务，但能保证对于行的读写操作具有原子性（Atomic）表中数据都是根据行关键字进行排序的，排序使用的是词典序。表中数据都是根据行关键字进行排序的，排序使用的是词典序。一个典型实例，其中一个典型实例，其中n.www就是一个行关键字。不直接存就是一个行关键字。不直接存储网页地址而将其倒排是储网页地址而将其倒排是Bigtable的一个巧妙设计。这样做
41、至少会带的一个巧妙设计。这样做至少会带来以下两个好处来以下两个好处 同一地址域的网页会被存储在表中的连续位置，有利于用户查同一地址域的网页会被存储在表中的连续位置，有利于用户查找和分析找和分析 倒排便于数据压缩，可以大幅提高压缩率倒排便于数据压缩，可以大幅提高压缩率 of56云计算第三版配套PPT课件数据模型列 Bigtable并不是简单地存储所有的列关键字，而是将其组织成所谓并不是简单地存储所有的列关键字，而是将其组织成所谓的列族（的列族（Column Family），每个族中的数据都属于同一个类型，并），每个族中的数据都属于同一个类型，并且同族的数据会被压缩在一起保存。引入了列族的概念之后
42、，列关键且同族的数据会被压缩在一起保存。引入了列族的概念之后，列关键字就采用下述的语法规则来定义：字就采用下述的语法规则来定义：族名：限定词（族名：限定词（family：qualifier）族名必须有意义，限定词则可以任意选定族名必须有意义，限定词则可以任意选定 图中，内容（图中，内容（Contents）、锚点（）、锚点（Anchor）都是不同的族。而）都是不同的族。而和和my.look.ca则是锚点族中不同的限定词则是锚点族中不同的限定词 族同时也是族同时也是Bigtable中访问控制（中访问控制（Access Control）基本单元，）基本单元，也就是说访问权限的设置是在族这一级别上进行
43、的也就是说访问权限的设置是在族这一级别上进行的of56云计算第三版配套PPT课件数据模型时间戳 Google的很多服务比如网页检索和用户的个性化设置等都需要保存的很多服务比如网页检索和用户的个性化设置等都需要保存不同时间的数据，这些不同的数据版本必须通过时间戳来区分。图不同时间的数据，这些不同的数据版本必须通过时间戳来区分。图2中内容列的中内容列的t3、t5和和t6表明其中保存了在表明其中保存了在t3、t5和和t6这三个时间获取的这三个时间获取的网页。网页。Bigtable中的时间戳是中的时间戳是64位整型数，具体的赋值方式可以采取位整型数，具体的赋值方式可以采取系统默认的方式，也可以用户自行
44、定义系统默认的方式，也可以用户自行定义 为了简化不同版本的数据管理，为了简化不同版本的数据管理，Bigtable目前提供了两种设置：一目前提供了两种设置：一种是保留最近的种是保留最近的N个不同版本，图中数据模型采取的就是这种方法，个不同版本，图中数据模型采取的就是这种方法，它保存最新的三个版本数据。另一种就是保留限定时间内的所有不同它保存最新的三个版本数据。另一种就是保留限定时间内的所有不同版本，比如可以保存最近版本，比如可以保存最近10天的所有不同版本数据。失效的版本将会天的所有不同版本数据。失效的版本将会由由Bigtable的垃圾回收机制自动处理的垃圾回收机制自动处理 of56云计算第三版
45、配套PPT课件2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.4.1 设计动机与目标2.4.2 数据模型2.4.3 系统架构2.4.4 主服务器2.4.5 子表服务器2.4.6 性能优化of56云计算第三版配套PPT课件49Bigtable 基本架构2.4 分布式结构化数据表Bigtableof56云计算第三版配套PPT课件502.4 分布式结构化数据表BigtableBigtable 中 Chubby 的主要作用作用一选取并保证同一时间内只有一个主服务器（Master Ser ver）。获取子表的位置信息。保存Bigtable的模式信息及访问控制列表。作用二作用三of56云计算第三版配套PPT
46、课件系统架构 BigtableBigtable主要由三个部分组成：客户端程序库（主要由三个部分组成：客户端程序库（Client LibraryClient Library）、一个主）、一个主服务器（服务器（Master ServerMaster Server）和多个子表服务器（）和多个子表服务器（Tablet ServerTablet Server）客户访问客户访问BigtableBigtable服务时，首先要利用其库函数执行服务时，首先要利用其库函数执行Open()Open()操作来打开一个操作来打开一个锁（锁（实际上就是获取了文件目录实际上就是获取了文件目录），锁打开以后客户端就可以和子表
47、服务器），锁打开以后客户端就可以和子表服务器进行通信进行通信 和许多具有单个主节点分布式系统一样，客户端主要与子表服务器通信，和许多具有单个主节点分布式系统一样，客户端主要与子表服务器通信，几乎不和主服务器进行通信，这使得主服务器的负载大大降低几乎不和主服务器进行通信，这使得主服务器的负载大大降低 主服务主要进行一些元数据操作以主服务主要进行一些元数据操作以及子表服务器之间负载调度问题，及子表服务器之间负载调度问题，实际数据是存储在子表服务器上实际数据是存储在子表服务器上 of56云计算第三版配套PPT课件2.4 分布式结构化数据表Bigtable2.4.1 设计动机与目标2.4.2 数据模型
48、2.4.3 系统架构2.4.4 主服务器2.4.5 子表服务器2.4.6 性能优化of56云计算第三版配套PPT课件532.4 分布式结构化数据表Bigtable主服务器新子表分配子表服务器状态监控子服务器之间的负载均衡当一个新的子表产生时，主服务器通过一个加载命令将其分配给一个空间足够的子表服务器。创建新表、表合并以及较大子表的分裂都会产生一个或多个新子表。分割完成之后子服务器需要向主服务发出一个通知。主服务器必须对子表服务器的状态进行监控，以便及时检测到服务器的加入或撤销of56云计算第三版配套PPT课件主服务器Bigtable中主服务表服务器的监控是通过Chubby完成的子表服务器在初始
49、化时都会从Chubby中得到一器对子个独占锁。通过这种方式所有子表服务器基本信息被保存在Chubby中一个称为服务器目录（Server Directory）的特殊目录之中。主服务器通过这个目录可以随时获取最新的子表服务器信息，包括：目前活跃的子表服务器；每个子表服务器上现已分配的子表。of56云计算第三版配套PPT课件主服务器 对于每个具体的子表服务器，主服务器会定期向其询问独占锁的状态。对于每个具体的子表服务器，主服务器会定期向其询问独占锁的状态。如果子表服务器的锁丢失或没有回应，则此时可能有两种情况：如果子表服务器的锁丢失或没有回应，则此时可能有两种情况：要么是要么是ChubbyChubb
50、y出现了问题出现了问题（虽然这种概率很小，但的确存在，（虽然这种概率很小，但的确存在，GoogleGoogle自己自己也做过相关测试）也做过相关测试）要么是要么是子表服务器自身出现了问题子表服务器自身出现了问题。对此主服务器首先自己尝试获取这个。对此主服务器首先自己尝试获取这个独占锁，如果失败说明独占锁，如果失败说明ChubbyChubby服务出现问题，需等待恢复；如果成功则说明服务出现问题，需等待恢复；如果成功则说明ChubbyChubby服务良好而子表服务器本身出现了问题服务良好而子表服务器本身出现了问题 当在状态监测时发现某个子表服务器上负载过重时，主服务器会自动当在状态监测时发现某个子