精读预告Bigtable

1. 引言：

在本期的精读会中，我们将深入解读另一篇具有里程碑意义的论文——《Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data》。这篇论文详细介绍了 Bigtable 作为谷歌用于管理结构化数据的分布式存储系统，其独特的设计使得 Bigtable 能够在数千台服务器上高效地处理 PB 级数据量。作为谷歌多个核心产品的基础架构，Bigtable 在大规模数据处理、分布式存储系统设计中具有重要的参考意义。

通过本文，我们将带领读者：

1. 探讨 Bigtable 在 Google诞生的背景，其出现究竟是为了解决什么样的问题；
2. 深入剖析 Bigtable 的数据模型 和其设计如何实现灵活的存储和访问控制；
3. 解析 Bigtable 在分布式环境中的 实现过程底层数据结构；
4. 展望 Bigtable 对 大数据存储系统 的影响及其未来可能的发展方向。

欢迎在评论区分享您的观点与见解，期待与您交流讨论！

2. 背景

在 GFS 和 MapReduce出现后，仍然很长一段时间内没有在大型的分布式系统上可以高并发、保障一致性，并且支持随机读写数据的系统。

当然在本篇论文出现之前，大多数的分布式数据都是通过MySQL来实现对大规模数据的管理的。如果只是维护一个几十乃至几百台服务器的 MySQL 集群其实也并不为过，但是，如果要像 GFS 维护成千上万的服务器，还有能做到吗？我们可以简单的看一下。

例如，我们建立一个MySQL集群来管理全国的人口信息，可以采用垂直拆分和水平拆分两种策略来进行分布式数据管理。

首先，我们可以按照数据库中的表按照业务逻辑进行拆分，每个拆分出来的数据库（或实例）包含一部分表。这种拆分方式适用于业务模块之间耦合度较低的情况。对于全国人口信息管理，可以按照不同的业务模块（如户籍管理）进行垂直拆分。例如：中国目前有34个省级行政区，那么就可以按照每个省级行政性拆一张表进行数据存储，这样可以减少单个数据库的并发压力，提高查询效率。

但是我们又会发现不同省级行政区的人口数量还不一致，中西部人口普遍少一些一张表可能够用，而沿海多一些可能就不够用，所以我们要进行水平拆分，所以我们可以进行水平拆分，将单张表的数据按照一定的规则分布到多个数据库或表中，每个表仅包含数据的一部分。对于全国人口信息管理，可以按照地域、时间或其他业务规则（如Hash、Range等）将人口信息数据分布到不同的数据库或表中。例如我们可以按照身份证信息对4取模，然后每个省级行政区可以均匀的分配到不同的四张表里面。

后期维护怎么样呢，如果遇到如上世纪六七十年代的生育潮，我们继续对数据进行扩容。如果我们只增加 2 台服务器，把各个服务器的分片，从模上 4 变成模上 6，我们就需要在增加服务器之后，搬运大量的数据，而数据迁移时，可能会遇到带宽和存储压力、服务中断、读写复杂性增加、资源浪费和成本问题。同时缩容的情况也是，其集群的“伸缩性”太差，以及后面的维护性工作也不少。

所以，Bigtable的设计目标就有了：

1. 灵活的资源管理：能够根据实时需求，随时增加或减少服务器数量，以适应业务高峰期和低谷期的变化，实现高效资源利用。

2. 智能的数据分片：系统能够自动根据数据负载进行分片，当某个分片负载过高时，自动拆分以平衡负载；同时，在添加新服务器后，能够迅速重新分配数据，确保所有节点均衡承担压力。

3. 高可用性：即使部分节点发生故障，集群仍能继续运行，确保整个系统的稳定性和可靠性。

现在就引入本文主角：Bigtable 是一个分布式存储系统，用于管理结构化数据，设计可以扩展到极大的规模，涵盖PB级数据并分布在数千台通用服务器上。

众多 Google 产品，包括网页索引、Google Earth 和 Google Finance，都使用 Bigtable 进行数据存储。尽管这些应用对 Bigtable 的需求差异很大——无论是从数据大小（从 URL 到网页，再到卫星图像）还是延迟要求（从后台批量处理到实时数据服务）来看，Bigtable 依然为这些产品提供了一个灵活且高性能的解决方案。

实际上，Bigtable 并不是传统意义上的“表（table）”。在其底层，数据的物理存储形式是一个排序的 Map。该 Map 的 key 由行关键字、列关键字和时间戳组成的复合结构，而 value 则是一个简单的字符串：(row:string, column:string, time:int64) → string。

Bigtable 提供了一个简单的数据模型，允许客户端动态控制数据的布局和格式，从而满足各种应用场景的需求。