GOOGLE分布式数据库技术演进研究
1 前言
癸巳 即将过去，总得点礼物吧，思来想去，觉得写写GOOGLE分布式数据库技术发展情况，以此作为礼物献给自己，聊以自慰，由于时间有限，加之对于GOOGLE的分布式数据库理解也只能盲人摸象，难免有错误之处，敬请谅解。
GOOGLE的分布式数据库系统从BIGTABLE的正式推出后，先后对外发布了Bigtable、Dremel、 Spanner等不同的分布式数据库产品，有的是引入新的设计实现，有的是针对原有的技术进行改进和优化，用于满足不同的GOOGLE的应用场景，支持日 益增加的数据量管理要求。
GOOGLE分布式数据库技术，从个人理解看，可以分为三个阶 段，第一阶段以Bigtable产品为代表，实现了数据的分布式存储、行数据的事务性管理和较好的扩展性，从存储WEB页面而生，创造性提出了KEY- VALUE这种MAP数据结构，并广泛应用到GOOGLE的各种应用中，与GOOGLE的MapReduce GFS技术搭配，构成了GOOGLE分布式云计算的三架马车，对应开源社区推出HBASE产品，也在近年得到了广泛应用。
第二个阶段以Dremel产品为代表，Dremel产品采用了与Bigtable不同的数据结构，立足实时对于海量数据进行分析，据说在秒级可以完成PB级别的数据分析和处理，可以做是分布式数据库实时处理的杰作，其实时处理能力达到令人惊艳的速度。
第三阶段以Spanner数据库技术为代表，Spanner数据 库在可以做到多数据表事务一致性管理，利用原子时钟（TrueTime）和Paxos协议解决了分布式数据库多表事务一致性管理的难题，打破的CAP不可 三者兼得的理论神话，使得分布式数据库技术得到了革命性的进步。
严格来讲Dremel与Bigtable和Spanner解决的 问题有所不同，Dremel侧重于对应海量数据的实时处理，而Bigtable和Spanner更侧重于传统的关系型数据库支持功能对齐和替换，并不是简 单产品替换关系。从GOOGLE的分布式数据库技术的发展历程看，这些技术得以成功推出，有创造性的新锐视角和解决方案，更有其坚持在廉价PC服务器上面 构筑海量数据处理系统的理想和情怀，更有起高超的技术实力和团队合作，这些因素的结合，使得技术难关被不断的突破，分布式数据库产品得以大成，这些产品的 确值得技术人员去深入学习和体会。
为了更好的对比和分析GOOGLE的分布式数据库技术，本文从Bigtable、Dremel、Spanner数据模型、系统架构、数据查询原理、应用场景进行深入分析，最后对于其特点进行对比，从而使得读者对应GOOGLE的分布式数据库技术有一个初步的认识。
2 BIGTABLE开山壁祖
2.1 Bigtable的数据模型
2.1.1 Bigtable的Key-Value数据结构
Bigtable采用Key-Value数据结构，Key由行关 键字、列关键字、时间戳组合而成，Value为对应数据内容，?行关键字和列关键字都是字符串数据类型，时间戳是一个64位的长整数，精确到毫秒的时间 戳，这三个属性在一个数据库中全局唯一，由Key和Value构成的KV数据结构称为一个数据项，考虑到分布式数据库的多复本的特性，数据项会按照时间戳 进行排序，并对于过期的数据项进行过期回收，其数据结构如图2-1所示。
图2-1 Bigtable KV结构示意图
2.1.2 Bigtable的数据模型层次
Bigtable数据模型由下而上，主要部件可以初分为四个层 面，最底层为SSTABLE，存放在GFS分布式文件系统中，为数据存储MAP结构体，第二层TABLET结构体，一个表可以由一个或者多个Tablet 构成，由一系列的SSTABLE构成，第三层TABLET服务器，管理一组TABLET数据体，最上层Bigtable数据库，由多个TABLET服务器 和一个Master服务器、客户端访问连接支持软件构成，最终形成了一个分布式数据库，对外提供数据库服务，层次关系如图2-2所示。
图2-2 Bigtable各级数据模型视图
数据项基于一种叫做SSTABLE的数据格式，SSTABLE是 一种持久化、排序的、不可更改的MAP数据结构，每一个SSTABLE由一系列数据块构成，在每一个SSTABLE的最后存储着块索引，SSTABLE使 用这些索引来定位数据块，在每一个SSTABLE被打开时，块索引会自动加载到内存中。SSTABLE提供了二种数据访问方式，第一种方式，使用二分法查 找内存中的块索引，根据对应的块索引把对应的数据块读取到内存中，此种方式只会发起一次磁盘寻址，第二种方式是把整个SSTABLE都整体加载到内存中。 SSTABLE基于GOOGLE GFS全局文件系统基础上，实现对应文件系统层面的负载均衡和IO能力分担，
从特点看，BIGTABLE不直接支持对应数据的修改操作，通过 时间戳方式来间接支持数据修改。数据读取方式，提供了二种不同的机制，二分法的块索引定位加载，类似于ORACLE提供的索引访问方式；SSTABLE的 全部加载，类似于ORACLE提供的全表扫描机制，从技术角度看，不管分布式数据库技术本身如何发展，对小粒度数据精确加载和整体数据加载的场景，从这点 看,所有的数据库存储结构应该都是殊途同归。
一个TABLET由TABLET Log存储TABLET的提交数据的Redo 记录数据，MEMTABLE是内存缓存，存储最近访问的记录数据，数据持久化到一组SSTABLE文件中。
最上层Bigtable数据库服务层，对外提供Bigtable的数据库服务功能，为Bigtable的最顶层结构。
2.2 Bigtable的系统架构
Bigtable由客户端连接库、Master服务器、 TABLET服务器组构成，客户端链接库提供数据库客户端访问功能，提供服务端访问，比如对于数据寻址的缓存信息； Master服务器负责TABLET服务器组的管理，根据负载情况，可以动态的增加和删除TABLET服务器，维护TABLET服务器组；TABLET服 务器管理该服务器上面的TABLET集合，完成TABLET数据读取和写入操作，当TABLET太大时，对TABLET进行拆分，在一个Bigtable 中只能有一个Master服务器，通过Chubby保证Master服务器的唯一性；Chubby服务提供了TABLET根信息服务、系统Master管 理和TABLET服务出错的善后处理任务，保存Bigtable数据库Schema信息。Bigtable整个系统架构如图2-3所示。
图2-3 Bigtable系统架构图
2.3 Bigtable的数据查询
2.3.1 Bigtable的数据定位
Bigtable数据查询，首先是对于数据所在tablet进行定位，Bigtable的位置定位，分为三个步骤。
第一步，客户端程序在缓存中查找tablet位置是否在缓存中存在，如果在缓存中存在就直接读取，如果不存在，通过Chubby服务器查询tablet的根节点，取到Bigtable根节点tablet信息；
第二步，根据Bigtable根节点的tablet信息，找到数据对应METADATA的数据表，该数据表中存储着所有的用户数据tablet的位置信息；
第三步，根据METADATA的数据表存储的用户数据tablet信息，找到数据对应tablet信息，根据该位置信息，读取到tablet数据到客户端。
2.3.2 Bigtable的数据读取
Bigtable数据读取时以Tablet为单位，必须读取到构 成该Tablet所有涉及到SSTABLE，发起读取操作时，首先要对操作完整性和权限做检查，检查通过后，首先在Tablet服务器所在的缓存里面查 找，Bigtable提供二级缓存缓存，一种是以Key-Value形式的一级数据缓存，如果在这种级别中的缓存中无法找到，访问二级数据缓存，二级数据 是SSTABLE的BLOCK数据缓存，对于热点局部性数据来讲，这种BLOCK环境命中率很高，对于系统性能改善更加有效。
在数据缓存中如果没有找到对应的读取数据，启动数据定位的三个步 骤，完成对于TABLET的位置信息读取，TABLET信息读取转换为对应SSTABLE数据，根据SSTABLE数据是否进行了压缩，对于涉及到该 TABLET的SSTABLE进行解压操作，完成读取后返回到客户端。
2.3.3 Bigtable的数据写入
Bigtable数据写入时，首先是坚持该操作数据格式是否正 确，并判断该操作发起者是否有该操作的权限，权限判断是通过存储在Chubby服务器上面的权限控制表来判断。判断操作发起者具备该操作的权限后，会发起 具体写入数据动作，该动作是一个事务操作，操作必须保证对于Tablet中数据写入成功，否则不会写入TABLET，如果写入成功后，会把提交该操作修改 到Tablet对应的Redo日志中，同时该写入内容会插入到MEMTABLE中。
2.4 应用场景
2.4.1 应用场景
Bigtable从数据存储特点看，属于行式数据库存储模型，虽 然Bigtable具备把列分配到不同的SSTABLE，形成不同的列簇的情况。由于Bigtable采用按照行存储模型，因此对于数据表中的一行可以实 现事务性操作，实现数据单表上的事务控制，虽然Bigtable提供了批量数据的访问接口，但是还不支持跨行的事务操作。
而Bigtable采用的KV结构，可以按照Key中的行关键字 和列关键字，对于海量数据进行列维度和行维度的切片管理，分别到同步到TABLET服务器上面。在一个BIGTABLE系统中，TABLET服务器的数量 可以根据负载要求，做动态的调整，对于TABLET服务器数量无上限，这样就可以支持对于数据库负载的水平扩展，根据GOOGLE提供的数据，单 TABLET服务器在BLOCK为64KB时，KEY-VALUE中的VALUE为1K的长度是，可以支持1200次请求，一个TABLET服务器可以处 理75M数据读取，当TABLET服务器数量增加后，其读取数据的能力可以提升，当并不会严格的遵循线性关系，可以从GOOGLE在BIGTABLE中提 供的测试数据看出，TABLET服务器增加和整体系统吞吐能力提升的关系，参见图2-4。
可以看出对于TABLET的扫描和在TABLET中内存中的随机 读，提升效率最为明显，这是由于在TABLET服务器增加过程中，此类操作都是在内存中进行，因此服务器越多，支持吞吐量就会更大。顺序读、随机写、顺序 写提升比率低于前两种操作，顺序读由于读取SSTABLE到TABLET服务器时，一个BLOCK被读取时，SSTABLE中相邻接的BOLCK会被加载 到BLOCK缓存中，后续会在缓存中被读取到该BLOCK，不在需要在从SSTABLE中读取。随机写和序列写在采用了批量提交的方式，通过数据流的方式 来进行处理，此种操作方式随TABLET的增加，提升效果还是比较明显。谁TABLET服务器提升效果最低的为随机读，原因是随机读取时，为了访问 KEY-VALUE值中，VALUE为1K的数据时，会同步把整个SSTABLE中一个BLOCK都读取出来，当随机读取请求数量增加时，整个网络带宽会 急剧上升，导致每个TABLET服务器吞吐能力下降，整个系统能够处理的随机请求数量变少。
图2-4 tablet 服务器与系统IO吞吐量关系图
2.4.2 应用场景下技术难题
从Bigtable应用场景看，BIGTABLE系统设计需要解决下面的核心技术
1.技术难题一系统鲁棒性
对于分布式环境，对于网络受损、内存数据损坏、时间误差，机器硬件损坏这这种常见的问题出现后，系统的容错处理能力，要求Bigtable系统具有较强的鲁棒性和容错性。
2.技术难题二 系统容错和负载与效率的平衡
TABLET副本数量增加会增加系统容错能力，但是会增加系统管 理代价和同步成本，效率就会相应的下降；系统负载和效率增加，有限制了数据副本数量、副本数量下降会导致系统容错性减低，GOOGLE具体处理算法，这些 在GOOGLE对外公布的论文中没有进行详细的描述，在开源产品HBASE遇到问题看，这些都是一些技术难点。
3.技术难题三 不同查询特点的应对
由于系统不同查询特点，数据特点，对于BIGTABLE中的各种关键配置参数的配置方式，比如SSTABLE中BLOCK大小的选择、缓存算法设计细节。
上面的这些技术难题相信已经被GOOGLE很好的解决，不过这些解决经验和具体技术细节GOOGLE并没有进行公开。
2.4.3 BIGTABLE后续发展
Bigtable做为GOOGLE公布的第一代分布式数据库技 术，结合下层的GFS文件系统，上结合MAP-REDUCE框架完成数据的分片计算，构成了GOOGLE的分布式计算体系。而BIGTABLE目前只有在 一个系统只支持一个Master服务器，同时对于多表事务性无法支持，这些都是Bigtable后续要解决的技术问题。对于不同特点数据库查询请求，不同 特点存放数据，BIGTABLE的关键参数应该如何配置，是否有一种完美的配置参数，可以完全满足各种不同特点的查询场景，从目前来看，还不能做到的，还 必须根据数据特点，对BIGTABLE的参数做相应定制，包括一些BIGTABLE要使用的GFS文件配置参数、网络配置参数，这些都成为使用 Bigtable数据库过程中一些较为复杂问题，整个Bigtable数据库使用技术门槛仍然比较高。
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