HBase 架构与工作原理1 - HBase 的数据模型

本文系转载，如有侵权，请联系我：likui0913@gmail.com

一、应用场景

HBase 与 Google 的 BigTable 极为相似，可以说 HBase 就是根据 BigTable 设计的，这一点在 BigTable 论文中也能发现。

在 BigTable 论文中提到了它的应用场景：

BigTable 是一个分布式的结构化数据存储系统，它被设计用来处理海量数据：通常是分布在数千台普通服务器上的 PB 级的数据。

Google 的很多项目使用 Bigtable 存储数据，包括 Web 索引、Google Earth、Google Finance。这些应用对 Bigtable 提出的要求差异非常大，无论是在数据量上（从 URL 到网页到卫星图像）还是在响应速度上（从后 端的批量处理到实时数据服务）。

Bigtable 已经在超过 60 个 Google 的产品和项目上得到了应用，包括 Google Analytics、Google Finance、 Orkut、Personalized Search、Writely 和 Google Earth。

以上应用场景的一个典型特点就是会不断的插入新的数据，而不怎么修改，比如Web 索引、Google Earth。而同时呢，也可能需要保存一定的历史数据用以查看或分析，比如网页快照、Google Analytics、或者联想到如今的大数据中，根据您以往的行为来预测您的行为与喜好等。另外它存储的属性可能会很多且不固定，比如一个网页的数据，除了它的内容外，可能还需要存储它相关的外链、关键字、锚点、标题、图片等。

那么根据这些应用的需求，对 BigTable 中的数据总结有以下特点：

• 数据量大
• 属性不固定
• 插入多，但不存在频繁的修改
• 存在历史版本数据

二、Table 组成元素

在 HBase 中，数据存储在具有行和列的表中，表的每行包含一个或多个列族，每个列族则可能包含一个或多个列，而行与列的交叉点则被称为单元格，用来存放数据的值。

表（Table）

Table 是在创建表时的 schema 声明定义的，其一旦创建便不可修改。

行（Row）

与传统关系系数据库类似却又不太相同，HBase 中的行具有如下特点：

• 行由一个或多个列族组成，每个列族包含一个或多个列，列可以动态添加；
• 每个行都包含一个行键（Rowkey），类似于关系型数据库中的主键。
  • 行键是不可分割的字节数组，Table 中的行按照行键的字典序由低到高有序排列。
• 每行可以存储多个历史版本，默认读取的为最新的版本；

列族（Column Family）

列族是一个或多个列的集合，列可以动态增减，但是列族则需要在创建或修改表时提前定义。同一个列族下的所有列使用相同的前缀来标识其属于哪一个列族，比如列courses:history和courses:math都是列族courses的成员。

在物理存储上，一个列族下的所有成员在文件系统上是存储在一起的，这个原理对于之后的优化有着重要的意义。

单元格（Cells）

单元格是行与列的交叉点，同时因为版本的存在，所以它类似于一个3维元祖 {row, column, version}，同行键一样，单元格中的内容也是不可分割的字节数组。

三、示例

以稍微修改过的 BigTable 论文中的 Webtable 为例：有一个名为 WebTable 的表格，其中包含两行（com.cnn.www 和 com.example.www）和三个名为 contents、anchor 和 people 的列族。对于第一行（com.cnn.www），anchor 包含两列（anchor:cssnsi.com，anchor:my.look.ca），contants 包含一列（contents:html）。同时，row key 为 com.cnn.www 的行保存了 5 个版本（5 个历史数据），row key 为 com.example.www 的行则只保存了 1 个版本。contents 列族中，html 列限定符中包含指定网站的整个 HTML 内容。anchor 列族中，每个限定符都包含链接到该行所代表的站点的外部站点，以及它在链接锚点（anchor）中使用的文本。people 列族中则保存与该网站相关的人员。

那么根据这个示例，可以得到如下的逻辑视图与物理视图。

逻辑视图

Row Key	Time Stamp	ColumnFamily contents	ColumnFamily anchor	ColumnFamily people
“com.cnn.www”	t9		anchor:cnnsi.com = “CNN”
“com.cnn.www”	t8		anchor:my.look.ca = “CNN.com”
“com.cnn.www”	t6	contents:html = “<html>…​”
“com.cnn.www”	t5	contents:html = “<html>…​”
“com.cnn.www”	t3	contents:html = “<html>…​”
“com.example.www”	t5	contents:html = “<html>…​”		people:author = “John Doe”

与传统的关系型数据库不同的是，此表中为空的单元格（Cell）在实际中并不会占用空间或者说事实上并不存在，这正是 HBase “稀疏”的原因。使用表格只是查看 HBase 数据的一种方式，同样也可以转换成 JSON 格式：

{
  "com.cnn.www": {
    contents: {
      t6: contents:html: "<html>..."
      t5: contents:html: "<html>..."
      t3: contents:html: "<html>..."
    }
    anchor: {
      t9: anchor:cnnsi.com = "CNN"
      t8: anchor:my.look.ca = "CNN.com"
    }
    people: {}
  }
  "com.example.www": {
    contents: {
      t5: contents:html: "<html>..."
    }
    anchor: {}
    people: {
      t5: people:author: "John Doe"
    }
  }
}

物理视图

HBase 的数据按照列族（cloumn family）物理存储。也即是说不同列族下的数据被分开存放，您可以随时将新的列限定符（column_family：column_qualifier）添加到现有的列族。对应上面的示例，它的物理存储如下：

列族 anchor：

Row Key	Time Stamp	Column Family anchor
“com.cnn.www”	t9	anchor:cnnsi.com = “CNN”
“com.cnn.www”	t8	anchor:my.look.ca = “CNN.com”

列族 contents：

Row Key	Time Stamp	Column Family contents
“com.cnn.www”	t6	contents:html = “<html>…​”
“com.cnn.www”	t5	contents:html = “<html>…​”
“com.cnn.www”	t3	contents:html = “<html>…​”

列族 people：

Row Key	Time Stamp	Column Family people
“com.example.www”	t5	people:author = “John Doe”

这样的物理视图有 3 个特点：

1. 概念视图中的空的单元格不会被存储；
2. 通过 Rowkey、时间戳、列族与限定符可以定位到一条数据；
3. 如果未指定时间戳，将返回最新的数据。比如 get(RowKey=”com.cnn.www”, column_family:column_qualifier=”contents:html”)，将返回 t6 时间的值。

参考链接

• Google-Bigtable 中文版
• Apache HBase ™ Reference Guide # DataModel
• understanding HBase and BigTable
• HBase 官方文档中文版