HBase 架构

HBase 是一个在 HDFS 上开发的面向列的分布式数据库。

HBase 存储架构

在 HBase 中，表被分割成多个更小的块然后分散的存储在不同的服务器上，这些小块叫做 Regions，存放 Regions 的地方叫做 RegionServer。Master 进程负责处理不同的 RegionServer 之间的 Region 的分发。

概览

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HBase 主要处理两种文件：预写日志（WAL）和实际数据文件 HFile。一个基本的流程是客户端首先联系 ZooKeeper 集群查找行键。上述过程是通过 ZooKeeper 获取欧含有 -ROOT- 的 region 服务器来完成的。通过含有 -ROOT- 的 region 服务器可以查询到含有 .META. 表中对应的 region 服务器名，其中包含请求的行键信息。这两种内容都会被缓存下来，并且只查询一次。最终，通过查询 .META. 服务器来获取客户端查询的行键数据所在 region 的服务器名。

Region

HBase Table 中的所有行按照 Row Key 的字典序排列。HBase Table 根据 Row Key 的范围分片，每个分片叫做 Region。一个 Region 包含了在 start key 和 end key 之间的所有行。

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HBase 支持自动分区：每个表初始只有一个 Region，随着数据不断增加，Region 会不断增大，当增大到一个阀值的时候，Region 就会分裂为两个新的 Region。当 Table 中的行不断增多，就会有越来越多的 Region。

Region 是 HBase 中分布式存储和负载均衡的最小单元。这意味着不同的 Region 可以分布在不同的 Region Server 上。但一个 Region 是不会拆分到多个 Server 上的。

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Region Server

Region 只不过是表被拆分，并分布在 Region Server。

Region Server 运行在 HDFS 的 DataNode 上。它具有以下组件：

• WAL(Write Ahead Log，预写日志)：用于存储尚未进持久化存储的数据记录，以便在发生故障时进行恢复。如果写 WAL 失败了，那么修改数据的完整操作就是失败的。
  • 通常情况，每个 RegionServer 只有一个 WAL 实例。在 2.0 之前，WAL 的实现叫做 HLog
  • WAL 位于 /hbase/WALs/ 目录下
  • 如果每个 RegionServer 只有一个 WAL，由于 HDFS 必须是连续的，导致必须写 WAL 连续的，然后出现性能问题。MultiWAL 可以让 RegionServer 同时写多个 WAL 并行的，通过 HDFS 底层的多管道，最终提升总的吞吐量，但是不会提升单个 Region 的吞吐量。
• BlockCache：读缓存。它将频繁读取的数据存储在内存中，如果存储不足，它将按照 最近最少使用原则 清除多余的数据。
• MemStore：写缓存。它存储尚未写入磁盘的新数据，并会在数据写入磁盘之前对其进行排序。每个 Region 上的每个列族都有一个 MemStore。
• HFile：将行数据按照 Key/Values 的形式存储在文件系统上。HFile 是 HBase 在 HDFS 中存储数据的格式，它包含多层的索引，这样在 HBase 检索数据的时候就不用完全的加载整个文件。HFile 存储的根目录默认为为 /hbase。索引的大小(keys 的大小，数据量的大小)影响 block 的大小，在大数据集的情况下，block 的大小设置为每个 RegionServer 1GB 也是常见的。
  • 起初，HFile 中并没有任何 Block，数据还存在于 MemStore 中。
  • Flush 发生时，创建 HFile Writer，第一个空的 Data Block 出现，初始化后的 Data Block 中为 Header 部分预留了空间，Header 部分用来存放一个 Data Block 的元数据信息。
  • 而后，位于 MemStore 中的 KeyValues 被一个个 append 到位于内存中的第一个 Data Block 中：

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Region Server 存取一个子表时，会创建一个 Region 对象，然后对表的每个列族创建一个 Store 实例，每个 Store 会有 0 个或多个 StoreFile 与之对应，每个 StoreFile 则对应一个 HFile，HFile 就是实际存储在 HDFS 上的文件。

HBase 系统架构

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和 HDFS、YARN 一样，HBase 也遵循 master / slave 架构：

• HBase 有一个 master 节点。master 节点负责协调管理 region server 节点。
  • master 负责将 region 分配给 region server 节点；
  • master 负责恢复 region server 节点的故障。
• HBase 有多个 region server 节点。region server 节点负责零个或多个 region 的管理并响应客户端的读写请求。region server 节点还负责 region 的划分并通知 master 节点有了新的子 region。
• HBase 依赖 ZooKeeper 来实现故障恢复。

Master Server

Master Server 负责协调 Region Server。具体职责如下：

• 为 Region Server 分配 Region ；
• 负责 Region Server 的负载均衡 ；
• 发现失效的 Region Server 并重新分配其上的 Region；
• GFS 上的垃圾文件回收；
• 处理 Schema 的更新请求。

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Region Server

• Region Server 负责维护 Master Server 分配给它的 Region，并处理发送到 Region 上的 IO 请求；
• 当 Region 过大，Region Server 负责自动分区，并通知 Master Server 记录更新。

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ZooKeeper

HBase 依赖 ZooKeeper 作为分布式协调服务来维护集群中的服务器状态。Zookeeper 维护哪些服务器是活动的和可用的，并提供服务器故障通知。集群至少应该有 3 个节点。

ZooKeeper 的作用：

• 保证任何时候，集群中只有一个 Master；
• 存储所有 Region 的寻址入口；
• 实时监控 Region Server 的状态，将 Region Server 的上线和下线信息实时通知给 Master；
• 存储 HBase 的 Schema，包括有哪些 Table，每个 Table 有哪些 Column Family 等信息。

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以上，最重要的一点是 ZooKeeper 如何保证 HBase 集群中只有一个 Master Server 的呢？

• 所有 Master Server 会竞争 Zookeeper 的 znode 锁（一个临时节点），只有一个 Master Server 能够创建成功，此时该 Master 就是主 Master。
• 主 Master 会定期向 Zookeeper 发送心跳。从 Master 则通过 Watcher 机制对主 Master 所在节点进行监听。
• 如果，主 Master 未能及时发送心跳，则其持有的 ZooKeeper 会话会过期，相应的 znode 锁（一个临时节点）会被自动删除。这会触发定义在该节点上的 Watcher 事件，所有从 Master 会得到通知，并再次开始竞争 znode 锁，直到完成主 Master 的选举。

HBase 内部保留名为 hbase:meta 的特殊目录表（catalog table）。它维护着当前集群上所有 region 的列表、状态和位置。hbase:meta 表中的项使用 region 作为键。region 名由所属的表名、region 的起始行、region的创建时间以及基于整体计算得出的 MD5 组成。

HBase 读写流程

写入数据的流程

1. Client 向 Region Server 提交写请求；
2. Region Server 找到目标 Region；
3. Region 检查数据是否与 Schema 一致；
4. 如果客户端没有指定版本，则获取当前系统时间作为数据版本；
5. 将更新写入 WAL Log；
6. 将更新写入 Memstore；
7. 判断 Memstore 存储是否已满，如果存储已满则需要 flush 为 Store Hfile 文件。

更为详细写入流程可以参考：HBase － 数据写入流程解析

读取数据的流程

以下是客户端首次读写 HBase 上数据的流程：

1. 客户端从 Zookeeper 获取 META 表所在的 Region Server；
2. 客户端访问 META 表所在的 Region Server，从 META 表中查询到访问行键所在的 Region Server，之后客户端将缓存这些信息以及 META 表的位置；
3. 客户端从行键所在的 Region Server 上获取数据。

如果再次读取，客户端将从缓存中获取行键所在的 Region Server。这样客户端就不需要再次查询 META 表，除非 Region 移动导致缓存失效，这样的话，则将会重新查询并更新缓存。

注：META 表是 HBase 中一张特殊的表，它保存了所有 Region 的位置信息，META 表自己的位置信息则存储在 ZooKeeper 上。

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更为详细读取数据流程参考：

HBase 原理－数据读取流程解析

HBase 原理－迟到的‘数据读取流程部分细节

参考资料

• 官方
  • HBase 官网
  • HBase 官方文档
  • HBase 官方文档中文版
  • HBase API
• 教程
  • BigData-Notes
• 文章
  • Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data
  • An In-Depth Look at the HBase Architecture
  • 入门 HBase，看这一篇就够了
  • https://bighadoop.wordpress.com/tag/hbase/