Hypertable 简介
(Hypertable一个 C++ 的Bigtable开源实现)
By云深作者：Adam/Schubert/SeymourZ 2008年8月
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1 Introduction
随着互联网技术的发展，尤其是云计算平台的出现，分布式应用程序需要处理大量的数据(PB级)。在一个或多个云计算平台中(成千上万的计算主机)，如何保证数据的有效存储和组织，为应用提供高效和可靠的访问接口，并且保持良好的伸缩性和可扩展性，成为云计算平台需要解决的关键问题之一。分布式并行文件系统，为云计算平台解决了海量数据存储问题，并且提供了统一的文件系统命令空间，如GFS、Hadoop HDFS、KFS等，在此基础上， Hypertable实现了分布式结构化的数据组织，Hypertable可以对海量的结构化的数据(PB级)提供面向表形式的组织方式,并向应用提供类似表访问的接口(如SQL接口)。
2 Structured Data and Tablet Location
2.1 数据模型（Data Model）
Hypertable采用类似表的形式组织数据，但目前Hypertable并不支持关系数据库中丰富的关系属性。Hypertable将数据组织成一个多维稀疏矩阵。该矩阵中的所有行信息可以基于主键（Primary Key）进行排序。在该多维矩阵中第一维称为行（Row），行键值（Row Key）即为Primary Key；第二维即列族（Column Family），一个列族包含多个列（Column Qualifier）的集合，它们一般具有相同的类型属性，系统在存储和访问表时，都是以Column Family为单元组织；第三维即列（Column Qualifier），理论上，一个列族中列的个数不受限制，列的命名方式通常采用family:qualifier的方式；最后一维就是时间戳（Timetstamp），它通常是系统在插入一项数据时自动赋予。如果我们把行和列族看成三维矩阵的行和列，那么我们可以将“时间戳”看成是纵向深度坐标。如图2-1所示，Tn就是每项值（Value）的“深度”标签。
Figure 2-1 A Multi-Dimensional Table
2.1.1 行键（Row Key）
Hypertable中Row Key定义为任意的字符序列（长度不超过64Kbyte，通常的应用也就百个字节左右），所有行以Row key为主键进行字典排序。在Hypertable中队行的操作保持原子性，对行的插入（Insert）、更新（Update）、删除（Delete）等都保持整行的原子操作，无论行操作涉及到的列的个数。在Hypertable中保持行操作的原子性，对应用程序来说显然具有积极的意义，它使得Hypertable对应用程序来说，行的一致性得到保证。
在Hypertable中，所有的行数据按照Row Key的字典序排列，如图2-1，随着数据量的不断增长（不断的有新的数据插入），该多维数据表会不断增长，在一个并行的云计算平台中，当该表增长到一定大小时，系统会将该表一分为二，分别由平台中不同的主机维护，分裂后的表可以独立增长，再进行分裂，由此反复，最终一个多维的Hypertable表实际上是以大量的“小表（Tablet）”的形式存在于云计算平台中，它们具有完全对等的属性，分别维护表中的部分数据；一个小表（Tablet）由一台主机维护，一台主机可以维护多个小表。在Hypertable中，表的分裂沿行区间（Row Range）切分，如图2-2所示，一张表在生长过程中，在一定的行区间被分裂为多个行区间（Row Range），每一个行区间成文一个新的小表（Tablet）。在Hypertable中缺省是一个Tablet增长到200M左右分裂，同时由于系统在并行处理平台上运行，会根据负载均衡原则进行调解。在云计算平台中，分裂出来的Tablet基于Load Balance原则被分布在不同的主机上维护，从而，对表的操作演化成对各小表（Tablet）的操作，处理效率显然高于对整个大表的操作。用户在使用Hypertable时合理的选择Row Key，可以得到更好的数据处理效率。例如在处理大量网页数据时（网页crawler获取的网页数据），通常把网页URL作为Row Key，其中URL的主机域名被反序处理（如maps.google.com/index.html被反置为com.google.maps/index.html），如此具有相同域的网页被尽可能的组织在相同或相邻的Tablet中，因此应用程序在处理这些数据时能得到更好的效率。
2.1.2 列族与列（Column Family & Column Qualifier）
Hypertable表的列键（Column Key）被分组为不同的列族（Column Family），列族（Column Family）是Hypertable系统中数据存储和访问控制的基本单元。在一个Column Family中的所有列通常具有相同的类型。在表的生长过程中，新的Column可以被动态创建，在创建Column前，相应的Column Family必须存在。Hypertable系统中，一个表的Column Family个数不大于256，而且一旦Column Family被创建，很少会被修改。
在Hypertable中，Column的个数基本上没有限制。一个Column Key的命名采用 Column Family:Qualifier形式，其中Column Family是可显示字符串，代表该Column所属的Column Family，而Qualifier可以是任意的字符串。如图2-1所示，该表至少包括两个Column Family，其中一个Column Family只有一个Qualifier：“contents”,用于存储网页的内容；另一个Column Family是“anchor”，用于表示该网页被其它网页引用的情况。对于表中的每一行，该Column Family包含有不定数目的列，也即qualifier的个数不定，因此该表在逻辑上会形成一个稀疏矩阵。图中，www.cnn.com 主页被www.cnnsi.com和 www.my.look.ca 分别用“CNN”和“CNN.com”命名的链接引用。
在Hypertable中，数据的存储以Access Group为单位组织，一个Access Group可以包括一个或多个Column Family。因此数据存储组织的最小单位是Column Family. 在定义Hypertable表的机构时可以定义Access Group包含的Column Family。
2.1.3 时间戳（Timestamp）
如图2-1，在Hypertable的表中，任意的格子（cell）都可以保存不同版本数据，用时间戳进行（timestamp）排序，从而形成表的时间维度。在Hypertable系统中，时间戳是由64-bit整数表示，他们值可以有系统自动赋予，也可以在由客户端应用程序指定。Timestamp在表中以降序排列，最新版本的数据会被最先读取。客户端在操作数据时，必须保证数据在时间序的逻辑性。如，当前数据的Timestamp为T0，新的操作时间戳被指定（客户端或系统指定）T1，则必须保证T1>T0，操作才能被系统接受。
Hypertable在维护数据版本时，不能无限制的维护版本个数，系统提供了两种手段维护有限个数的数据版本（Timestamp），一种是系统设置最多能维护的版本个数，当数据版本超出最大版本数时，系统的数据维护模块会清理版本相对较老的数据；另一种手段是系统动态设置最老版本的时间点，当该参数被更改后，系统数据维护模块会将旧改时间点的数据版本删除。
2.1.4 表的扁平化（Flattening）
在Hypertable中，四维（Row Key、Column Family、Column Qualifier、Timestamp）表最终被扁平化处理成（Key、Value）对的形式存储，其中Key的表示形式为Row Key，Column Family（处理时使用系统编号），Column Qualifier和Timestamp组成的字符串。Value为相应的值。如图2-3所示一个row range的扁平化方式。Row Key保持字典升序排列，Column保持schema定义的顺序，Timetamp保持降序排列。
2.2 表的寻址和存储
Hypertable主要解决的是数据的组织和存储策略问题，数据的物理存储由分布式并行文件系统完成。分布式并行文件系统作为云计算平台的基础组件，为Hypertable提供统一的文件系统命名空间（namespace）。
在Hypertable中，数据在存储前经过了排序和压缩，表中的数据类型都被串行化为字符数据。一张表，在它的生长过程中，会分裂为许多小表（tablet）,新产生的tablet可以被指定到云计算平台中的任意物理主机维护。在Hypertable系统中维护着一个全局Tablet索引表Metadata Table，Metadata Table本身是一张Hypertable表，它负责保存和维护系统中所有小表（Tablet）的索引。
2.2.1 Tablet索引
在Hypertable中，采用三级层次建立tablet的索引。如前所述，表是按row range分裂为许多的tablet，所有在tablet的集合组成完整的Table。系统中为了维护每张表的tablet位置信息（tablet分布在云计算平台的主机中），会创建一个特殊的表：Metadata table。Metadata表具备一般用户表的属性，也有它的特殊性，根据不同索引级别，分为两类tablet：metadata0 tablet和metadata1 tablet，其中：
Metadata 0的位置信息称为一级索引，通常是一个位置指针存放在系统中，系统初始化时，读取该指针获得metadata0的位置信息；
Metadata 0 tablet作为二级索引，它是一个不会分裂的tablet，运行时，系统在内存中维护它，同时该tablet被定义为metadata表的第一个tablet，在初始化时被创建。Metadata 0中保存Metadata 1 tablets的位置信息；
第三级索引为metadata 1 tablets，这一级的metadata1 tablets具备和用户tablet相同的属性，系统初始化时，会创建第一个metdata1 tablet。Metadata tablet中保存用户表的tablets位置信息。
Figure 2-4 Tablet location hierarchy
Metadata schema的XML文件描述形式为：
<Schema>
<AccessGroup name=”default”>
<ColumnFamily>
<Name>LogDir</Name>
</ColumnFamily>
<ColumnFamily>
<Name>Files</Name>
</ColumnFamily>
</AccessGroup>
<AccessGroup name=”location” inMemory=”true”>
<ColumnFamily>
<Name>StartRow</Name>
</ColumnFamily>
<ColumnFamily>
<Name>Location</Name>
</ColumnFamily>
</AccessGroup>
<AccessGroup name=”logging”>
<ColumnFamily>
<Name>Event</Name>
</ColumnFamily>
</AccessGroup>
</Schema>
表2-1列出了Metadata的表结构。其中最底下彩色区域就是一行metadata的各项值区域。其中：
l Row key：是table_id:end_row_key表示，table id是表在创建时，系统赋予的唯一表标识号，0号码保留给metadata table用。end_row_key是一个任意字符串，表示该记录指向的tablet的最后一行的row key。
l Access group：metadata table包括三个access group，分别是：default、Location、Logging。
l Column Family：metadata table包含五个column families，分别是：LogDir、Files、Start row、Location、Event。其中Start row记录该行指向的tablet的第一行的row key；Location记录的是该tablet是由云计算平台中哪一台主机维护，以ip:port方式记录。
l “Files” Column Family：该column family下可能包含多个qualifier项，每一项qualifier指示该记录对应tablet（表号为table_id）的一个access group所保存的文件名列表，一个table的access group的个数在table schema中定义，文件名之间用分号隔开。
Table 1: Hypertable metadata table structure
在Hypertable中，metadata表的一条记录大小约为1K，如果定一个tablet的大小为128M，那么这样一个三级索引的架构，可以索引的最大Hypertable容量（压缩后）为：(128M/1K)* (128M/1K)*128M，约为2^61bytes。
2.2.2 Tablet存储
Hypertable为用户规划表数据存储提供了一定灵活度，从hypertable的扁平化过程可以看出，它采用面向列的存储模式。Hypertable采用access group方式组织数据存储（在表schema中定义），一个access group包含一个或多个column family。对于一个row range，属于一个access group的所有数据被组织在一起存储，access group是hypertable面向存储的最小访问单位。这样，对于有应用相关性的列，被组织存储在一起，可以有效地提高数据的读写效率。
一个Tablet包含一个表中特定row range的数据，它由系统中一台主机（range server）维护，系统中一台主机可以维护多个表的多个tablet。Tablet在存储前都被扁平化处理，以（key，value）对的形式存储在文件中，实际存储中，（key，value）对中加入了该数据的操作类型，如插入、更新、删除等。Tablet以文件形式存储。如图2-5所示，为一个典型的tablet存储目录结构。
Figure 2-5 An example of table directory in range server
在主机在维护tablet时，会在文件系统的table目录下创建对应的表目录，目录用表名命名。如上图所示，该主机维护了Pages，Accounts两个表的tablet。在每个table目录下会根据表的schema创建相应的access group目录，如Pages有三个access group，Accounts有两个access group。在access group目录下，系统会为每一个tablet创建一个目录，由系统生成的随机数（row range 系统编号）字符串命名。当前状态下，该主机维护了Pages表的两个tablets。由此可见，一个完整的row range（tablet）数据是指该表目录下，所有access group目录中，在相同row range目录下的文件集合。
如图2-5所示，表是以cs（CellStore）文件形式存储。CellStore文件存储Access Group中的（Key，Value）列表（带操作类型），文件中的数据经过排序，压缩，并且不会被修改。在CellStore文件内部包含多个64K（可配置）大小的块，为了便于索引CellStore中的数据，在CellStore文件的结尾处保存了这些块的索引数据，以便系统能迅速定位到数据在文件中的哪个64K块中。Cell store的索引主要有三个部分：
l Bloom Filter：该索引部分采用Bloom Filter技术，用于64k块内索引，目前保留，未实现；
l 块索引：该索引部分记录每64k块的索引，用于快速定位块，它的格式为 row key + 块在文件内的偏移；
l Trailer：用于定位Bloom Filter块，块索引部分的定位。系统读取这部分，获取Bloom Filter和块索引的位置。
随着数据的增长，在一个row range（tablet）中，一个access group可以动态产生多个CellStore文件，这些文件由Range Server动态维护，参照Range Server描述。
2.3 一个示例
如图2-6所示的逻辑模型，示例crawldb table用于存储从internet抓取的网页信息，其中：Row Key为网页的URL，出于排序效率考虑，URL中主机域名字符顺序往往被反置，如www.facebook.com被处理为com.facebook.www；Column Family包括title、content、anchor，其中tile保存网页的标题，content保存网页html内容，anchor保存网页被其它网页引用的链接，qualifier就是其它网页的URL，内容为其它网页中该链接的页面显示字符，同样anchor链接的URL主机域字符串被反置。对于不同时间获取的同一网页的有关内容被打上不同的时间戳，如图纵向座标可以看到不同的版本。
Figure 2-6 Crawldb Table Logical Model
在实际的存储中，图2-6所示的多维逻辑结构会被二维平面化为(Key, Value)对，并且进行排序。在（Key，Value）中，Key由四维键值组成，包括：Row Key, Column Family（处理时使用８比特编码）, Column Qualifier和Timestamp，如图2-7所示，为Key的实际结构，在对Key进行排序过程中，有最新Timestamp的Key会被排在最前面，flag项用于标明系统需要对该（Key，Value）记录进行的操作符，如增加、删除、更新等。
如图2-8是crawldb二维平面化后经过排序的格式。图中Key列中的信息由Row Key(页面的URL)、Column Family、Column Qualifer和Timestamp组成，其中并未显示Key flag项，flag项主要用于表项处理。
Figure 2-8 Sorted Key/Value list
图2-9显示了crawldb table的CellStore文件格式。CellStore文件中存储了经过排序后的Key，Value对，物理上，这些数据都被压缩后存储，以大约64k大小的块为单位组织；在文件结尾处，保留有三个索引部分：Bloom Filter、块索引（row key + 块在文件内的偏移）、Trailer。
3 Architecture
Hypertable的实现主要包括以下5个部分：
l 应用API Library
l Hyperspace Server
l Master Server
l Range Server
l DFS Broker
如图3-1所示Hypertable系统侧的主要架构。整个系统构建在分布式并行文件系统之上（本地文件系统也支持）。用户应用程序通过Hypertable提供的API编程接口库，使用Hypertable（参见第6章）。
3.1 DFS Broker
Hypertable设计运行在分布式并行文件系统之上，也不局限于此，还可以运行在本地文件系统之上，尤其是在用户单机调试和试用的时候。同时，由于分布式并行文件系统的类型有很多，为了使Hypertabe的系统模块能很好在不同的文件系统上运行，Hypertable提供了一个文件系统访问抽象层：DFS Broker。
DFS Broker的API接口层，为Hypertable提供了统一的文件系统访问接口，Hypertable系统进程调用DFS Broker的文件操作API后，DFS Broker API会将相应的文件操作以消息的形式发送给DFS Broker，DFS Broker根据具体的文件系统类型，调用相应的操作接口，完成文件系统的访问。目前，Hypertable DFS Broker实现了Hadoop DFS, KFS以及本地（Local）文件系统接口，用户可以根据自己的需要，在现有的DFS Broker框架下，实现其它分布式文件系统的接口，将Hypertable扩展到更多的DFS之上。
Figure 3-1 Hypertable System Architecture
3.2 Hyperspace
Hyperspace是类似Google Bigtable系统中的Chubby 功能。Chubby在Google Bigtable系统中主要实现两个功能，一是为Bigtable提供一个粗粒度锁服务；其次是提供高效，可靠的主机选举服务。由于Bigtable的粗粒度锁服务往往构建在具有统一namespace的文件系统上（早期在Database上），因此它同时具备轻量级的存储功能，可以存储一些元数据信息。如图3-1所示，Hyperspace作为一个服务器族存在，通常情况下，一个Hyperspace Server族一般由5或11台服务器组成，他们基于Paxos选举算法，在服务器中选举出一个Active Server，其它的服务器作为Standby Servers存在，在系统运行过程中，Active Server和Standby Servers之间会同步状态和数据（数据经常由文件系统或数据库自己完成）。截至本文档发布之前，Hyperspace还未发布Active/Standby功能。从实现的角度来看，实现1+1的备份方式，也可以作为Hyperspace HA 的一种实现方法，但显然可靠性要低于Chubby的实现方式。
目前，Hyperspace基于BSD DB构建它的锁服务，通过BSD DB API，Hyperspace构建一个namespace，该namespace中包含目录和文件节点，每一个目录或文件可以赋予许多的属性，如锁的属性。Hyperspace Client是访问Hyperspace的客户端模块。Hypertable中的其它系统模块通过该Client与Hyperspace Server建立Session链接，通过该链接完成Hyperspace中目录和文件的操作（如读，写，锁操作等）。Session链接采用租约机制，客户端必须定期更新租约期限，如果到期未更新，Hyperspace认为客户端out of service，随机释放客户端所占用的文件和锁资源。Hyperspace Client为客户端应用提供了callback方式的事件通知机制，客户端应用可以通过Session链接，向Hyperspace注册自己关注的对象（目录或文件）的有关事件，也可以向Session本身注册时间callback。如文件，或目录的删除时间，锁操作事件，Session的终止事件等。
由于Hyperspace的设计满足高可靠性要求，因此它除了提供粗粒度锁服务以外，还承担着部分的小数据量的存储任务。如2.2.1中提到的Metadata0 tablet location就存储在Hyperspace，作为整个Hypertable tablets索引的根节点。另外，Hyperspace也会存储Metadata schema，access control list（目前未实现）；同时，由于Hypersapce提供了Hypertable系统中所有主机节点的锁服务，所有节点会在Hyperspace的namespace中创建自己的主机节点，并获取相应的锁，因此Hyperspace同时充当了记录Hypertable系统中主机状态的任务，并且根据客户端注册的callback信息分发相应的状态改变事件。
由此可见，Hyperspace作为一个需要设计成具有高可用性的子系统，如果Hyperspace停止工作，Hypertable也就对外不能提供服务了。
3.3 Range Server
在Hypertable系统中，表按row range分割为许多tablet，这些tablet由range server维护，一个range server主机可以维护多个tablet。Range server负责处理所有的该row range的读写操作。
如图3-2，range server处理写数据（如insert、update、delete等数据操作）时，range server将检查它的格式是否合法以及该操作的访问权限（目前还未实现access control）；检查成功后，先将数据（和操作）写入Commit Log文件，随后将数据按顺序缓存在Cell Cache中，随着Cell Cache不断增长，达到Cell Cache的容量门限，range server将新建一个Cell Cache，将旧的Cell Cache写入DFS cell store文件，此过程也称作为Minor Compaction（次级紧置化）。Minor compaction起到主要作用有两个，一是通过将Cell Cache写入DFS，回收Cell Cache内存，使得range server不会因为cell cache的无限增长而消耗完内存资源；其次，由于range server将写数据首先保存在commit log文件中，以备系统崩溃后，能读取commit log恢复到崩溃前的数据状态；因此，在旧的cell cache被写入cell store文件后，commit log中相应的log就可以被清除，从而有效地回收了commit log文件空间。
Figure 3-2 A Tablet in Tablet Server
随着数据操作的不断增加，Cell Store文件也不断增多，当文件个数达到门限时，range server将执行merging compaction操作，该操作将选择部分cell store文件与cell cache合并为一个较大的cell store文件。此时的merging compaction操作中，所有文件和cache的数据被重新排序到新的cell store文件中，并不执行数据的计算合并操作，因此所有的delete数据仍然存在于新的cell store文件中。
有一种特殊的merging compaction操作，发生在tablet分裂前，range server会将该tablet的所有cell store文件和cell cache合并为一个大的cell store文件，该操作称为Major Compaction（当前hypertable并未实现定时major compaction）。Major compaction在合并文件和cache过程中会对计算数据进行合并计算，所产生的新cell store文件不再包含delete操作的数据。Major compaction可以有效地回收存储空间，其次，由于新产生的cell store文件已经完成数据操作的合并运算，使得数据的读写操作性能更高。
如图3-2所示，数据读取操作需要访问多个cell store文件和cell cache，如2.2.2所述，cell store文件中包含有多个索引块，这些索引块运行时缓存在内存中，当一个读取操作来到range server时，range server将检查它的格式是否合法以及该操作的访问权限（目前还未实现access control）；检查成功后，range server将定位该row key可能存在的所有cell store文件，包括cell cache，扫描相关cell store和cell cache，为该次读操作在内存执行merging操作，并返回结果。由于所有key，value数据对在cell store和cache中已经按字典序排列，因此扫描和merging操作的效率较高。
Range server在处理读写请求时，仍然可以进行其它的处理操作。在进行minor compaction前，由于range server会新建一个cell cache，因此，在进行minor compaction时不会阻塞读写请求。其它的如执行tablet split，merging compaction，以及major compaction时，range server会在cell cache中给新来的写数据置时间标记，以便和正在参与操作的cache数据区别开来。
Tablet的永久存储模式是DFS上的cell store文件、log文件以及Hyperspace上的schema，tablet的索引在2.2.1所述的metadata table中。如果一个range server停止服务，hypertable系统（通常是Master调度）将选择另一个的range server（该range server可能已经维护了其它的tablet）去恢复（Recover）该tablet。Range server在恢复tablet过程中，首先从metadata table中读取该tablet的metadata，该metadata中包含有cell store文件列表（参见2.2.1），以及一组Redo指针（？？），这些指针指向Commit Log中需要Redo的操作记录。Range server根据这些信息重构一个tablet，包括为该tablet创建cell cache，缓存所有cell store的索引，执行Redo操作等。
3.4 Master
如图3-1所示，master主要负责Hypertable 系统中的调度工作，主要包括：
u 处理元数据操作，如表的创建、和删除；
u 管理range server池，指派range server所维护的range server，并实现range server的load balance调度（目前使用round robin算法，还为基于服务器负荷调度）；
u 检测range server加入/离开Hypertable系统；
u 回收DFS的discarded文件
u 处理表schema变化，如创建新的column family操作（目前为实现）
Master并不直接处理hypertable client提交的数据，由于metadata表数据作为一个普通的table由系统中的range server维护，而且metadata0的location存储在hyperspace中；因此在hypertable系统中出现master server的短暂OOS（out of service）是可以容忍的，在master server短暂的OOS期间，hypertable系统不能处理新表的创建，和range server的调度，但并不妨碍hypertable client对已经存在的表的读写操作。
3.5 Chubby or HA
如图3-1所示，hypertable系统中对于range server而言，它的调度主要由master负责，整个系统的业务逻辑已经包含了range server的高可用性（HA）功能。然而hyperspace和master的高可用性并不包含在hypertable的业务逻辑中。当前的hypertable版本（0.9.x.x）中，hyperspace和master都只实现了单点服务器的模式，从图3-1所示，hypertable将在近期的版本中规划这两个子系统的HA实现，其中hyperspace采用类似Chubby的服务器集群方式，而master采用1+1的active/standby方式。
注：部分图片来源于 http://www.hypertable.org/
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