《云計算(第三版)》第2章-Google云計算原理與應用(三)

電子工業(yè)出版社《云計算(第三版)》配套課件第2章Google云計算原理與應用（三）目錄

2.1Google文件系統(tǒng)GFS2.2分布式數(shù)據(jù)處理MapReduce2.3分布式鎖服務Chubby2.4分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.6

大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.7海量數(shù)據(jù)的交互式分析工具Dremel2.8內(nèi)存大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)PowerDrill2.9Google應用程序引擎2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施在互聯(lián)網(wǎng)的應用中，為了達到好的可擴展性，常常會采用NoSQL存儲方式。但是從應用程序的構(gòu)建方面來看，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫又有著NoSQL所不具備的優(yōu)勢。

Google設(shè)計和構(gòu)建了用于互聯(lián)網(wǎng)中交互式服務的分布式存儲系統(tǒng)Megastore，該系統(tǒng)成功的將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和NoSQL的特點與優(yōu)勢進行了融合針對可用性的要求，實現(xiàn)了一個同步的、容錯的、適合遠距離傳輸?shù)膹椭茩C制。針對可擴展性的要求，將整個大的數(shù)據(jù)分割成很多小的數(shù)據(jù)分區(qū)，每個數(shù)據(jù)分區(qū)連同它自身的日志存放在NoSQL數(shù)據(jù)庫中，具體來說就是存放在Bigtable中。設(shè)計目標及方案選擇2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore設(shè)計一種介于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和NoSQL之間的存儲技術(shù)，盡可能達到高可用性和高可擴展性的統(tǒng)一。方法一設(shè)計目標方法二5數(shù)據(jù)分區(qū)和復制

數(shù)據(jù)分區(qū)和復制Megastore中，這些小的數(shù)據(jù)分區(qū)被稱為實體組集（EntityGroups）。每個實體組集包含若干實體組（EntityGroup，相當于分區(qū)中表的概念），而一個實體組中又包含很多的實體（Entity，相當于表中記錄的概念）。從圖中還可以看出單個實體組支持ACID語義實體組集之間只具有比較松散的一致性。每個實體組都通過復制技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中保存若干數(shù)據(jù)副本，這些實體組及其副本都存儲在NoSQL數(shù)據(jù)庫（Bigtable）中

2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施82.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫不合適的三個原因傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是通過連接（Join）來滿足用戶的需求的，但是就Megastore而言，這種數(shù)據(jù)模型是不合適的，主要有以下三個原因：原因1對于高負載的交互式應用來說，可預期的性能提升要比使用一種代價高昂的查詢語言所帶來的好處多原因2Megastore所面對的應用是讀遠多于寫，因此好的選擇是將讀操作所需要做的工作盡可能地轉(zhuǎn)移到寫操作上原因3在Bigtable這樣的鍵/值存儲系統(tǒng)中存儲和查詢級聯(lián)數(shù)據(jù)（HierarchicalData）是很方便的Megastore數(shù)據(jù)模型怎么設(shè)計？102.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore細粒度控制的數(shù)據(jù)模型和模式語言同關(guān)系型數(shù)據(jù)庫一樣，Megastore的數(shù)據(jù)模型是在模式（schema）中定義的且是強類型的（stronglytyped）每個模式都由一系列的表（tables）構(gòu)成，表又包含有一系列的實體（entities），每實體中包含一系列屬性（properties）屬性是命名的且具有類型，這些類型包括字符型（strings）、數(shù)字類型（numbers）或者Google的ProtocolBuffers。Google團隊設(shè)計的Megastore數(shù)據(jù)模型112.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore照片共享服務數(shù)據(jù)模型實例表Photo就是一個子表，因為它聲明了一個外鍵User則是一個根表一個Megastore實例中可以有若干個不同的根表，表示不同類型的實體組集三種不同屬性設(shè)置，既有必須的（如user_id），也有可選的（如thumbnail_url）Photo中的可重復類型的tag屬性122.5分布式存儲系統(tǒng)MegastoreMegastore索引局部索引定義在單個實體組中，作用域僅限于單個實體組（如PhotosByTime）可以橫跨多個實體組集進行數(shù)據(jù)讀取操作（如PhotosByTag）全局索引主要兩類額外索引STORING子句（STORINGClause）可重復的索引（RepeatedIndexes）內(nèi)聯(lián)索引（InlineIndexes）132.5分布式存儲系統(tǒng)MegastoreBigtable中存儲情況行鍵（RowKey）UPhoto.timePhoto.tagPhoto._url101John101,50012:30:01Dinner,Paris…101,50212:15:22Betty,Paris…102MaryBigtable的列名實際上是表名和屬性名結(jié)合在一起得到，不同表中實體可存儲在同一個Bigtable行中2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施15Megastore提供的三種讀currentsnapshotinconsistent總是在單個實體組中完成總是在單個實體組中完成系統(tǒng)取出已知的最后一個完整提交的事務的時間戳，接著從這個位置讀數(shù)據(jù)忽略日志的狀態(tài)直接讀取最新的值2.5分布式存儲系統(tǒng)MegastoreMegastore中的事務及并發(fā)控制Megastore事務中的寫操作采用了預寫式日志（Write-aheadLog）

一個寫事務總是開始于一個current讀以便確認下一個可用的日志位置。提交操作將數(shù)據(jù)變更聚集到日志，接著分配一個比之前任意一個都高的時間戳，然后使用Paxos將數(shù)據(jù)變更加入到日志中

協(xié)議使用了樂觀并發(fā)（OptimisticConcurrency）：盡管可能有多個寫操作同時試圖寫同一個日志位置，但只會有1個成功17完整的事務周期讀應用邏輯提交生效清除獲取最后一次提交的事務的時間戳和日志位置從Bigtable讀取且聚集數(shù)據(jù)到日志入口使用Paxos達到一致，將入口追加到日志將數(shù)據(jù)更新到Bigtable中的實體和索引清理不再需要的數(shù)據(jù)2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore182.5分布式存儲系統(tǒng)MegastoreMegastore中的事務機制2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施Megastore的基本架構(gòu)Megastore中三種副本

完整副本：Bigtable中存儲完整的日志和數(shù)據(jù)見證者副本：在Paxos算法執(zhí)行過程中無法產(chǎn)生一個決議時參與投票只讀副本：讀取最近過去某一個時間點一致性數(shù)據(jù)

Megastore的基本架構(gòu)Megastore中提供快速讀（FastReads）和快速寫（FastWrites）機制

快速讀如果讀操作不需要副本之間進行通信即可完成，那么讀取的效率必然相對較高利用本地讀?。↙ocalReads）實現(xiàn)快速讀，能夠帶來更好的用戶體驗及更低的延遲確保快速讀成功的關(guān)鍵是保證選擇的副本上數(shù)據(jù)是最新的。為了達到這一目標，引入了協(xié)調(diào)者的概念

協(xié)調(diào)者是一個服務，該服務分布在每個副本的數(shù)據(jù)中心里面。它的主要作用就是跟蹤一個實體組集合協(xié)調(diào)者的狀態(tài)是由寫算法來保證快速寫

Megastore采用了一種在主/從式系統(tǒng)中常用的優(yōu)化方法。如果一次寫成功，那么下一次寫的時候就跳過準備過程，直接進入接受階段

Megastore沒有使用專門的主服務器，而是使用leadersleader主要是來裁決哪個寫入的值可以獲取0號提議優(yōu)化：提交值最多的位置附近選擇一副本作為leader

客戶端、網(wǎng)絡(luò)及Bigtable的故障都會導致一個寫操作處于不確定的狀態(tài)2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施242.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore復制的日志每個副本都存有記錄所有更新的數(shù)據(jù)。Megastore允許副本不按順序接受日志，這些日志將獨立的存儲在Bigtable中。預寫式日志復制的日志

預寫式日志當日志有不完整的前綴時我們就稱一個日志副本有“缺失”（Holes）

圖中0～99的日志位置已經(jīng)被全部清除；100的日志位置被部分清除；101的日志位置被全部副本接受；102的日志位置被γ獲得；103的日志位置被副本A和C接受，副本B則留下了一個“缺失”；104的日志位置則未達到一致性數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)讀取過程:本地查詢（QueryLocal）發(fā)現(xiàn)位置（FindPosition）

本地讀取（LocalRead）

多數(shù)派讀?。∕ajorityRead）追趕（Catchup）

Paxos將會促使絕大多數(shù)副本達成一個共識值達到一種分布式一致狀態(tài)驗證（Validate）查詢數(shù)據(jù)（QueryData）數(shù)據(jù)寫入

數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寫入完整過程:（1）接受leader：請求leader接受值作為0號提議（快速寫方法），若成功，跳至步驟（3）（2）準備：將值替換成擁有最高提議號的那個值（3）接受：請求剩余的副本接受該值，如果大多數(shù)副本拒絕這個值，返回步驟（2）（4）失效：將不接受值的副本上的協(xié)調(diào)者進行失效操作（5）生效：將值的更新在盡可能多的副本上生效。如果選擇的值和原來提議的有沖突，返回一個沖突錯誤

282.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore協(xié)調(diào)者的可用性協(xié)調(diào)者在系統(tǒng)中是比較重要的——協(xié)調(diào)者的進程運行在每個數(shù)據(jù)中心。每次的寫操作中都要涉及協(xié)調(diào)者，因此協(xié)調(diào)者的故障將會導致系統(tǒng)的不可用Megastore使用了Chubby鎖服務，為了處理請求，一個協(xié)調(diào)者必須持有多數(shù)鎖。一旦因為出現(xiàn)問題導致它丟失了大部分鎖，協(xié)調(diào)者就會恢復到一個默認保守狀態(tài)除了可用性問題，對于協(xié)調(diào)者的讀寫協(xié)議必須滿足一系列的競爭條件2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.5.1設(shè)計目標及方案選擇2.5.2Megastore數(shù)據(jù)模型2.5.3Megastore中的事務及并發(fā)控制2.5.4Megastore基本架構(gòu)2.5.5核心技術(shù)——復制2.5.6產(chǎn)品性能及控制措施302.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore可用性的分布情況Megastore在Google中已經(jīng)部署和使用了若干年，有超過100個產(chǎn)品使用Megastore作為其存儲系統(tǒng)從圖中可以看出，絕大多數(shù)產(chǎn)品具有極高的可用性（>99.999%）。這表明Megastore系統(tǒng)的設(shè)計是非常成功的，基本達到了預期目標31產(chǎn)品延遲情況的分布2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore應用程序的平均讀取延遲在萬分之一毫秒之內(nèi)，平均寫入延遲在100至400毫秒之間避免Megastore的性能下降，可采取以下三種應對方法：（1）重新選擇路由使客戶端繞開出現(xiàn)問題的副本（2）將出現(xiàn)問題副本上的協(xié)調(diào)者禁用，確保問題的影響降至最小。（3）禁用整個副本需要指出：Megastore已經(jīng)是Google相對過時的存儲技術(shù)。Google目前正在使用的存儲系統(tǒng)是Spanner架構(gòu)，Spanner的設(shè)計目標是能夠控制一百萬到一千萬臺服務器，Spanner最強大之處在于能夠在50毫秒之內(nèi)為數(shù)據(jù)傳遞提供通道目錄

2.1Google文件系統(tǒng)GFS2.2分布式數(shù)據(jù)處理MapReduce2.3分布式鎖服務Chubby2.4分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表Bigtable2.5分布式存儲系統(tǒng)Megastore2.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.7海量數(shù)據(jù)的交互式分析工具Dremel2.8內(nèi)存大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)PowerDrill2.9Google應用程序引擎2.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控

基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.6.1基本設(shè)計目標2.6.2Dapper監(jiān)控系統(tǒng)簡介2.6.3關(guān)鍵性技術(shù)2.6.4常用Dapper工具2.6.5Dapper使用經(jīng)驗在我們看來很簡單的一次搜索實際上涉及了眾多Google后臺子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)的運行狀態(tài)都需要進行監(jiān)控用戶的平均每一次前臺搜索會導致Google的后臺發(fā)生1011次的處理352.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper兩個基本要求設(shè)計出的監(jiān)控系統(tǒng)應當能夠?qū)ΡM可能多的Google服務進行監(jiān)控Google的服務是全天候的，如果不能對Google的后臺同樣進行全天候的監(jiān)控很可能會錯過某些無法再現(xiàn)的關(guān)鍵性故障監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計兩個基本要求1.廣泛可部署性（UbiquitousDeployment）2.不間斷的監(jiān)控362.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper三個基本設(shè)計目標低開銷這個是廣泛可部署性的必然要求。監(jiān)控系統(tǒng)的開銷越低，對于原系統(tǒng)的影響就越小，系統(tǒng)的開發(fā)人員也就越愿意接受這個監(jiān)控系統(tǒng)。對應用層透明監(jiān)控系統(tǒng)對程序員應當是不可見的。如果監(jiān)控系統(tǒng)的使用需要程序開發(fā)人員對其底層的一些細節(jié)進行調(diào)整才能正常工作的話，這個監(jiān)控系統(tǒng)肯定不是一個完善的監(jiān)控系統(tǒng)?？蓴U展性Google的服務增長速度是驚人的，設(shè)計出的系統(tǒng)至少在未來幾年里要能夠滿足Google服務和集群的需求。2.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控

基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.6.1基本設(shè)計目標2.6.2Dapper監(jiān)控系統(tǒng)簡介2.6.3關(guān)鍵性技術(shù)2.6.4常用Dapper工具2.6.5Dapper使用經(jīng)驗基本概念

圖中，用戶發(fā)出請求X，前端A發(fā)現(xiàn)該請求的處理需要涉及服務器B和服務器C，因此A又向B和C發(fā)出兩個RPC（遠程過程調(diào)用）。B收到后立刻做出響應，但是C在接到后發(fā)現(xiàn)它還需要調(diào)用服務器D和E才能完成請求X，因此C對D和E分別發(fā)出了RPC，D和E接到后分別做出了應答，收到D和E的應答之后C才向A做出響應，在接收到B和C的應答之后A才對用戶請求X做出一個應答X

在監(jiān)控系統(tǒng)中記錄下所有這些消息不難，如何將這些消息記錄同特定的請求（本例中的X）關(guān)聯(lián)起來才是分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中需要解決的關(guān)鍵性問題之一典型分布式系統(tǒng)的請求及應答過程

方案一黑盒（BlackBox）方案——方案比較輕便，但在消息關(guān)系判斷過程中，主要是利用一些統(tǒng)計學知識來進行推斷，有時不是很準確方案二基于注釋的方案

——利用應用程序或中間件給每條記錄賦予一個全局性的標示符，借此將相關(guān)消息串聯(lián)起來（Google最終選擇）基本概念

Dapper監(jiān)控系統(tǒng)中三個基本概念：監(jiān)控樹（TraceTree）、區(qū)間（Span）和注釋（Annotation）圖示是一個典型的監(jiān)控樹，實際上就是一個同特定事件相關(guān)的按照一定的規(guī)律以樹的形式組織起來所有消息，每一個節(jié)點稱為一個區(qū)間（一條記錄），所有記錄聯(lián)系在一起就構(gòu)成了對某個事件的完整監(jiān)控。每個區(qū)間包括如下的內(nèi)容：區(qū)間名（SpanName）、區(qū)間id（Spanid）、父id（Parentid）和監(jiān)控id（Traceid）

監(jiān)控樹監(jiān)控id圖中并沒有列出，一棵監(jiān)控樹中所有區(qū)間的監(jiān)控id相同，隨機分配且唯一區(qū)間Helper.Call的詳細信息圖中區(qū)間包含來自客戶端的注釋信息：“<Start>”、“ClientSend”、“ClientRecv”和“<End>”，也包含來自服務器端的注釋信息：“ServerRecv”、“foo”和“ServerSend”。除“foo”是用戶自定義的注釋外，其他的注釋信息都是和時間相關(guān)的信息。Dapper不但支持用戶進行簡單的文本方式的注釋，還支持鍵-值對方式的注釋基本概念

412.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper監(jiān)控信息的匯總（1）將區(qū)間的數(shù)據(jù)寫入到本地的日志文件（2）所有機器上的本地日志文件匯集（3）匯集后的數(shù)據(jù)寫入到Bigtable存儲庫中監(jiān)控數(shù)據(jù)匯總是單獨進行的，而不是伴隨系統(tǒng)對用戶的應答一起返回的，如此選擇主要原因：內(nèi)置的匯總方案（監(jiān)控數(shù)據(jù)隨RPC應答頭返回）會影響網(wǎng)絡(luò)動態(tài)內(nèi)置的匯總方案需要保證所有的RPC都是完全嵌套安全問題

應用層注釋提供一種方便的選擇機制（Opt-inMechanism）：應用程序開發(fā)者可以將任何對后期分析有益的數(shù)據(jù)和區(qū)間關(guān)聯(lián)起來

2.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控

基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.6.1基本設(shè)計目標2.6.2Dapper監(jiān)控系統(tǒng)簡介2.6.3關(guān)鍵性技術(shù)2.6.4常用Dapper工具2.6.5Dapper使用經(jīng)驗Dapper三個設(shè)計目標中，實現(xiàn)難度最大的是？應用層透明怎么實現(xiàn)應用層透明輕量級的核心功能庫

二次抽樣技術(shù)

452.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper輕量級核心功能庫最關(guān)鍵的代碼基礎(chǔ)是基本RPC、線程和控制流函數(shù)庫的實現(xiàn)主要功能是實現(xiàn)區(qū)間創(chuàng)建、抽樣和在本地磁盤上記錄日志。將復雜的功能實現(xiàn)限制在一個輕量級的核心功能庫中保證了Dapper的監(jiān)控過程基本對應用層透明。小規(guī)模庫通用線程（UbiquitousThreading）控制流（ControlFlow）RPC代碼庫（RPCLibraryCode）462.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper二次抽樣技術(shù)利用二次抽樣技術(shù)成功地解決了低開銷及廣泛可部署性的問題。第一次抽樣第二次抽樣實踐中，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)當抽樣率低至1/1024時也能夠產(chǎn)生足夠多的有效監(jiān)控數(shù)據(jù)，即在1024個請求中抽取1個進行監(jiān)控也是可行的，從而可以捕獲有效數(shù)據(jù)發(fā)生在數(shù)據(jù)寫入Bigtable前，具體方法是將監(jiān)控id散列成一個標量z（0≤z≤1），如果某個區(qū)間的z小于事先定義好的匯總抽樣系數(shù)，則保留這個區(qū)間并將它寫入Bigtable，否則丟棄2.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控

基礎(chǔ)架構(gòu)Dapper2.6.1基本設(shè)計目標2.6.2Dapper監(jiān)控系統(tǒng)簡介2.6.3關(guān)鍵性技術(shù)2.6.4常用Dapper工具2.6.5Dapper使用經(jīng)驗482.6大規(guī)模分布式系統(tǒng)的監(jiān)控基礎(chǔ)架構(gòu)DapperDapper存儲APIDapper的“存儲API”簡稱為DAPI，提供了對分散在區(qū)域Dapper存儲庫（DEPOTS）的監(jiān)控記錄的直接訪問。一般有以下三種方式訪問這些記錄。（1）通過監(jiān)控id訪問（AccessbyTraceid）（2）塊訪問（B