HBase架构分析

  在前面的 文章中，详细给出了HBase HA高可用部署以及测试的内容，本篇文章将对HBase架构进行分析。

1、有关HBase基本介绍

1.1 HBase解决的痛点：

• 解决随机近实时的高效的读写
• 解决非结构化的数据存储

1.2 HBase应用：

• 可以存储非结构化的数据
• 被用来做实时数据分析(整合flume、storm、streaming等)

引用HBase作为业务存储，则需要注意的点（按官方指引的翻译）：
首先确保使用场景有足够多的数据，上亿或者十几亿行的数据，HBase将非常适合
第二，确保业务需求中不需要用到关系型数据库那种严格的索引、事务、高级查询等
第三点，确保足够多的硬件服务器，至少5台个HDFS节点以上，以便发挥HDFS性能。

1.3 Hbase特性：

• Hadoop的分布式、开源的、多版本的非关系型数据库

• Hbase存储Key-Value格式，面向列存储，Hbase底层为byte[]比特数组数据，不存在数据类型一说。

• 严格一致的读写

• 表的自动和可配置分片

• RegionServer之间的自动故障转移支持

• 方便的基类，用于通过Apache HBase表备份Hadoop MapReduce作业

• 块缓存和布隆过滤器用于实时查询

2、HBase架构

如上图所示，架构主要有以下4个部分

2.1 HMaster

• 负责管理HBase的元数据，表结构，表的Region信息
• 负责表的创建，删除和修改
• 负责为HRegionServer分配Region，分配后将元数据写入相应位置

2.1 HRegionServer

• 存储多个HRegion
• 处理Client端的读写请求（根据从HMaster返回的元数据找到对应的HRegionServer）
• 管理Region的Split分裂、StoreFile的Compaction合并。
• 一个RegionServer管理着多个Region，在HBase运行期间，可以动态添加、删除HRegionServer。

2.3 HRegion

• 一个HRegion里可能有1个或多个Store（参考上图）。
• HRegionServer维护一个HLog。
• HRegion是HBase分布式存储和负载的最小单元，但不是HBase数据存储到文件的最小单元。
• 表通常被保存在多个HRegionServer的多个Region中。

2.4 Store

• Store由内存中的MemStore和磁盘中的若干StoreFile组成（参考上图）
• 一个Store里有1个或多个StoreFile和一个memStore。
• 每个Store存储一个列族。

2.5 MemStore、StoreFile、HFile

• MemStore：
  首先，memStore 是在内存中存在，保存修改key-value数据；当memStore的大小达到一个阀值（默认64MB）时，memStore会被flush到文件，也就是存在磁盘上。
• StoreFile：
  接上面内容，memStore的每次flush操作都会生成一个新的StoreFile，StoreFile底层是以HFile的格式保存，当有多个StoreFile后，将会触发为合并为一个大的StoreFile。
• HFile：
  HFile是HBase中KeyValue数据的存储格式，在hdfs上是二进制格式文件，一个StoreFile对应着一个HFile。HFile有自己的数据结构。
  HFile写入的时候，分一个块一个块的写入，每个Block块64KB，这样有利于数据的随机访问，不利于连续访问，若连续访问需求大，可将Block块设为较大值。
  HFile物理文件形式参考下面4.3内容

2.6 WALs——Write-Ahead-Log预写日志（HLog）

  数据库在事务机制中常见的一致性的实现方式就是通过记录日志，通过日志文件的方式实现写入一致性、数据恢复或者数据备份，那么对于HBases也有同样的逻辑，因为大型分布式系统中硬件故障很常见，如果MemStore还没有及时flush到HFile，服务器宕机或者断电，那么MemStore部分的数据肯会丢失。
  HBase给出的解决方案：先写入MemStore中，然后更新hlog中，只有成功更新到hlog之后，写操作才能被认为是成功完成。如果在MemStore没有写到hlog之前宕机，HBase重启后可以从hlog恢复。Hbase集群中每台服务器维护一个hlog文件。

hlog过期
  当数据从memstore写入到磁盘中，Hlog就已经没有用了，会把/hbase/WALs目录下的数据移动到/hbase/oldWALs 目录下，oldWALs目录下的数据会根据 hbase.master.cleaner.interval (默认1分钟)配置的时间定期去检查，如发现有数据会清除，清除前还会检验一个参数 hbase.master.logcleaner.ttl ，也就是说数据保存1分钟以上才会删除，如果一分钟内数据直接从memstore写入到了磁盘，oldWALs下的数据也不会被删除

2.7 zookeeper

• 通过选举（抢占zk临时节点），保证任何时候，集群中只有一个master，Master与RegionServers 启动时会向ZooKeeper注册
• RegionServer 向zookeeper的临时znode注册，提供RegionsSrver状态信息（是否在线）。
• 存放所有Region的寻址入口
• 存储HBase的schema和table元数据
• HMaster启动时候会将hbase系统表-ROOT- 加载到 zookeeper cluster，通过zookeeper cluster可以获取当前系统表元信息的存储所对应的RegionServer信息。

3、数据模型

  这里以Amandeep Khurana的《Introduction to HBase Schema Design》作为参考
  HBase的表结构如下图3所示：
  该表有两个列簇： Personal and Office，每个列簇有两个列，例如Personal：姓名和家庭电话，每个小格子cells用来存储真正数据，例如John及其电话，但Row Key 不属于cell。

  HBase行记录的数据结构，其实就是一个嵌套map（嵌套字典），HBase用这种方式组织了数据，以上图的第一行John为例，该0001行字典如下：
  因为大家更熟悉hash map或字典结构，从上图可以看到，HBase的数据单元cell，通过把timestamp作为最里层字典的key，从而数据多版本的控制。看到该map结构，大家可以联想到mangodb，这伙计大有赶超hadoop之势，同样具备分布式大数据的存储、查询能力，它也用这种结构来存储数据，只不过mangodb用的粒度更小是json结构。

4、表结构组成（对应图3）

Table（表格）
一个HBase表格由多行组成。

Row（行）
  RowKey没有特定的数据类型，都是字节数组类型，任何字符串都可以作为行键表的中行数据按照Rowkey的字节（byte order) 排序存储HBase中的行里面包含一个key和一个或者多个包含值的列。行按照行的key字母顺序存储在表格中。因为这个原因，行的key的设计就显得非常重要。数据的存储设计目的是让数据类型相近的数据存储到一起。

Column Family（列族）
  因为性能的原因，列族物理上包含一组列和它们的值。每一个列族拥有一系列的存储属性，例如值是否缓存在内存中，数据是否要压缩或者他的行key是否要加密等等。表格中的每一行拥有相同的列族，尽管一个给定的行可能没有存储任何数据在一个给定的列族中。

Column Qualifier（列名）
  列族必须定义表时给出，每个列族可以有一个或多个列成员（Column Qualigier)，列成员不需要在定义表时给出，新的列族成员（name、phone）可以随后按需动态加入。列族Personal在创建表格时已被确定，但是列名则可以以后业务需要时动态追加，例如给Personal增加一个列名:company字段，用于存储个人的公司信息

Cell（单元）

  单元是由行、列族、列限定符、值和代表值版本的时间戳组成的。Cell由RowKey，列族：列名（Column Qualifier），时间戳唯一决定。Cell中的数据是没有类型的，全部以字节码形式存储。每个单元格保存着同一份数据的多个版本
，不同时间版本的数据按照时间顺序倒序排序。

Timestamp（时间戳）
  每个Cell可能有多个版本，它们之间用时间戳区分。

5、HBase物理文件存储过程

5.1 HRegion在表的上位置

  HBase的一个典型Big Table 在行的方向上水平分割为多个HRegion，所有行都按照row key的字典序排列。（注意如果Table表刚建初期，数据量不多，此时Table仅有一个HRegion）

4.2 HRegion自动拆分

  HRegion按照大小拆分，每个Table初始只有一个HRegion，随着数据不断插入表，Rowkey越来越多，HRegion不断增大，当增大到一个阀值（默认256M）的时候，HRegion会被拆分为两个新的HRegion，如下图所示，所以当Table中的行不断增多，就会有越有更多HRegion，这些HRegion分布式存在多台HRegion Server上，只要有足够的节点服务器，那么HBase就可以继续被扩容，存下百亿行都OK。在传统关系型数据库中，这种体量的行数，很难想象！

4.3 HRegion 分布式存储

  HRegion是Hbase中分布式存储和负载均衡的最小单元，同一个table的不同HRegion可以分布式存储在不同的HRegion Server上，这里说的“负载均衡”是指：例如下图，如果table的所有HRegion都扔到一台服务器上存储，容易出现不平衡分布（数据倾斜），因此需要考虑所有的Region平衡分布到每个节点上，如下图所示，但一个HRegion是不会拆分到多个节点上，因为HRegion是HMaster分布式存储可以管理的最小单元。（机灵的同学此时会想到：同一个HRegion需要拷贝三份或多份再存到不同节点上吗？注意：这里完全不需要，因为HRegion最终存放是在HDFS上的一个二进制文件block，hdfs本身就会将这个block自动拷贝多份，再存到其他节点。）

5.2 Hbase数据在HDFS的存储

  HRegion虽然是分布式存储的最小单元，但并不是存储的最小单元。HRegion由一个或者多个Store组成，每个Store保存一个Columns Family。每个Store又由一个memStore和0至多个StoreFile组成。StoreFile最终以HFile格式保存在HDFS上
  对于company表，上面提到每个Store保存一个Columns Family，那么在HDFS上是怎样的文件呢？通过查看HBase在hdfs文件系统创建的data目录如下所示：

[root@dn2 ~]# hdfs dfs -ls /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/
Found 4 items
-rw-r--r--   3 root supergroup         42 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/.regioninfo
drwxr-xr-x   - root supergroup          0 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/depart_info
drwxr-xr-x   - root supergroup          0 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/recovered.edits
drwxr-xr-x   - root supergroup          0 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/staff_info

  Hbase的数据在HDFS中的路径结构如下：
hdfs://dn2:9000/hbase/data/{名字空间}/{表名}/{区域名称}/{列族名称}/{文件名}
具体说明：
hdfs://dn2:9000：hdfs分布式节点dn2为该HBase提供底层文件服务

• {名字空间}：在本文的示例中，因为在hbase shell建表做测试时，没有创建新的名字空间（相当于关系型数据库的database），所以hbase为company table提供默认default空间
• {表名}:具体的HBase table名称，如本例的company table
• {区域名称}：指HRegion的字符串名称：38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07 由每张表切割形成，table创建开始阶段，仅有一个HRegion，当table越来越大，路径hdfs://dn2:9000/hbase/data/{名字空间}/{表名}/下将会有多个“区域名称”（也即分割为多个HRegion），这就是HRegion在hdfs的存在形式。
• {列族名称}：例如本例创建的depart_info和staff_info 这两个列簇
• {文件名}：这个文件就是Hfile，每个列簇下有自己存放key-value数据的最终物理文件，这里就是HBase存放数据的最小物理文件。

以depart_info列簇查看它包含的文件有：bdccf10bf1a344baa68c4404b385da7b和dddb8e7e43134c16823db24416

[root@nn ~]# hdfs dfs -ls /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/depart_info
Found 2 items
-rw-r--r--   3 root supergroup       5082 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/depart_info/bdccf10bf1a344baa68c4404b385da7b
-rw-r--r--   3 root supergroup       4859 ** /hbase/data/default/company/38445bbc84c64c82b8273edafbd19b07/depart_info/dddb8e7e43134c16823db24416

  继续查看depart_info路径下bdccf10bf1a344baa68c4404b385da7b文件内容，该文件为二进制文件，从内容可以大致看到该文件已经存储了R1和R2两行数据内容以及一些元信息等

DATABLK*


ˇˇˇˇˇˇˇˇ@
""R1depart_infoinner_tel
m̵çS108
R1depart_infolevel
m̵q19
R1depart_infoname
m̵WOHR
"R2depart_infoinner_tel
mÌ∑£
106
R2depart_infolevel
mÌ∑äF9R2depart_infoname
mÌ∑n6Finance$©…]BLMFBLK2ˇˇˇˇˇˇˇˇ@%ÈíT@3+D4IDXROOT23/ˇˇˇˇˇˇˇˇ@P
&"R1depart_infoinner_tel
m̵çS…“?IDXROOT2
O@!ÁµãÏFILEINF2
î
êˇˇˇˇˇˇˇˇ@
±PBUFä

BLOOM_FILTER_TYPEROW

DELETE_FAMILY_COUNT

EARLIEST_PUT_TS
m̵WO

KEY_VALUE_VERSION


LAST_BLOOM_KEYR2

MAJOR_COMPACTION_KEY


MAX_MEMSTORE_TS_KEY

MAX_SEQ_ID_KEY

	TIMERANGE
m̵WO
mÌ∑£


hfile.AVG_KEY_LEN

hfile.AVG_VALUE_LEN
 
hfile.CREATE_TIME_TS
mÌÔ∂
.

hfile.LASTKEYR2depart_infoname
mÌ∑n6˙x%ªBLMFMET2<8ˇˇˇˇˇˇˇˇ@Y


&)R1Z8˚TRABLK"$H»œ/ Ú&(
08@
HPZ-org.apache.hadoop.hbase.KeyValue$KVComparator`

  在namenode web页面：http://dn2:50070/ 可以查看HFile相关信息，如下图所示，该HFile在HDFS集群上是3份拷贝的分布式存储。

6、HBase目录结构

  HMaser在hdfs文件系统上创建了HBase目录，该目录用于存放所有关于HBase文件、数据、元信息等内容。

• /hbase/.tmp: 临时目录，当对表做创建和删除操作时，会将表move到该目录下，然后进行操作。
• /hbase/WALs:在2.6章节已经提到，该目录为保存操作日志hlog，如下所示：

[root@nn ~]#  hdfs dfs -ls /hbase/WALs/
Found 3 items
drwxr-xr-x   * /hbase/WALs/dn1,16020,*
drwxr-xr-x   * /hbase/WALs/dn2,16020,*
drwxr-xr-x   * /hbase/WALs/nn,16020,*

从WALs目录下可以看到每个HRegionServer维护自己一个hlog

• /hbase/data:核心目录，存储Hbase表的数据默认情况下该目录下有两个目录
• /hbase/data/default:当在用户创建表的时候，没有指定namespace时，表就创建在此目录下
  – /hbase/data/hbase：系统内部创建的表，hbase:meta，namespace
• /hbase/hbase.id：存储集群唯一cluster id(UUID)
• /hbase/hbase.version：集群版本号
• /hbase/oldWALs：参考2.6章节内容——hlog过期

7、HBase的读写流程

  之所以把该章节安排在文章最后，是因为基于前面讨论HBase内部结构已经有一定了解后，再分析其读写流程则显得更容易理解。

7.1 写流程

1）Client从Zookeeper中获取表region相关信息，根据要插入的rowkey，获取指定的Regionserver信息。
2）数据被写入Region的MemStore（操作也同时写入到Hlog中），若持续写入数据量超过MemStore达到预设阈值，MemStore会flush到StoreFile，当数据都同时写入到MemStore和Hlog后，那么对于client来说，本次写入即完成。
3）随着StoreFile文件的不断增多，当其数量增长到一定阈值后，触发Compact合并操作，将多个StoreFile合并成一个StoreFile。StoreFiles通过不断的Compact合并操作，逐步形成越来越大的StoreFile。
4）单个StoreFile大小超过一定阈值后，触发Split操作，把当前Region Split成2个新的Region。旧Region会下线，新Split出的2个Region会被HMaster分配到相应的RegionServer上，使得原先1个Region的压力得以分流到2个Region上。

7.2 读流程

1）跟写流程一样，client先连接ZooKeeper，访问Meta Regionserver节点信息，把HBase的meta表缓存到client端。
2）根据rowkey找到Region，再去相应Regionserver 发起读请求。
3）RegionServer接收该读请求之后，既然是来询问key值是否存在，那么HBase针对检索，有自己一套方法：先查询MemStore，如果未找到，再去查询BlockCache加速读内容的缓冲区，如果还没有找到，就会到StoreFile（HFile）中查找这条数据，然后将这条数据返回给client。（注意：这里忽略了一个有关key高效检索是否存在与于HFIle的知识点：bloom-filter）
（从client在HBase读写请求过程可知，client其实无需与HMaster通信，只需要知道ZooKeeper地址即可）

小结

本文已经完成对HBase架构及其数据模型较为全面的讨论，接下来在另外一篇文章开启对Hive的部署和架构分析，Hive跟HBase、Hadoop结合使用后，形成一套可用的数据仓库。