HBase原理和安装

约定不等于承诺〃 2022-04-25 02:00 160阅读 0赞

HBase的基本概念和安装：

## Hbase简介 ##

HBase的原型是Google的BigTable论文，受到了该论文思想的启发，目前作为Hadoop的子项目来开发维护，用于支持结构化的数据存储。

官方网站：[http://hbase.apache.org][http_hbase.apache.org]

2006年Google发表BigTable白皮书

2006年开始开发HBase

2008年北京成功开奥运会，程序员默默地将HBase弄成了Hadoop的子项目

2010年HBase成为Apache顶级项目

HBase是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统，利用HBASE技术可在廉价PC Server上搭建起大规模结构化存储集群。

HBase的目标是存储并处理大型的数据，更具体来说是仅需使用普通的硬件配置，就能够处理由成千上万的行和列所组成的大型数据。

HBase是Google Bigtable的开源实现，但是也有很多不同之处。比如：Google Bigtable利用GFS作为其文件存储系统，HBase利用Hadoop HDFS作为其文件存储系统；Google运行MAPREDUCE来处理Bigtable中的海量数据，HBase同样利用Hadoop MapReduce来处理HBase中的海量数据；Google Bigtable利用Chubby作为协同服务，HBase利用Zookeeper作为对应。

## Hbase特点 ##

### 海量存储 ###

Hbase适合存储PB级别的海量数据，在PB级别的数据以及采用廉价PC存储的情况下，能在几十到百毫秒内返回数据。这与Hbase的极易扩展性息息相关。正式因为Hbase良好的扩展性，才为海量数据的存储提供了便利。Hbase的单表可以有百亿行，百万列，对于关系型数据库单表记录在亿级别时，查询和写入的性能都会出现级数下降，对于传统数据库来说这种庞大的数据量时一种灾难，Hbase限定某个列的情况下对于单表存储百亿或者更多数据没有性能问题，它采用了LSM树为内部数据的存储结构，这种数据结构会周期性地合并成大文件以减少对磁盘地访问，但是牺牲了部分读的性能。

### 列式存储 ###

这里的列式存储其实说的是列族存储，Hbase是根据列族来存储数据的。列族下面可以有非常多的列，列族在创建表的时候就必须指定。每个列都是单独存储的，且持支基于列的独立检索。列存储下表按照列分开保存，数据查询操作时，列存储只需要读取相关列，可以降低系统的I/O。

### 极易扩展 ###

Hbase的扩展性主要体现在两个方面，一个是基于上层处理能力（RegionServer）的扩展，一个是基于存储的扩展（HDFS）。  
通过横向添加RegionSever的机器，进行水平扩展，提升Hbase上层的处理能力，提升Hbsae服务更多Region的能力。

RegionServer的作用是管理region、承接业务的访问，通过横向添加Datanode的机器，进行存储层扩容，提升Hbase的数据存储能力和提升后端存储的读写能力。

### 高并发 ###

由于目前大部分使用Hbase的架构，都是采用的廉价PC，因此单个IO的延迟其实并不小，一般在几十到上百ms之间。这里说的高并发，主要是在并发的情况下，Hbase的单个IO延迟下降并不多。能获得高并发、低延迟的服务。

### 高可靠 ###

Hbase运行在HDFS上，HDFS的多副本存储可以让它在出现故障的时候自动恢复，同时Hbase内部也提供WAL和Replication机制WAL（Write-Ahead-Log）预写日志在Hbase服务器处理数据插入和删除的过程中用来记录操作内容的日志，保证了数据写入时不会因为集群异常而导致写入数据的丢失，而Replication机制是基于数据操作来数据同步的。当集群中单个节点出现故障时，ZooKeeper通知集群的主节点，将故障节点的Hlog中的日志信息发送到从节点进行数据恢复。

### 稀疏 ###

稀疏主要是针对Hbase列的灵活性，在列族中，你可以指定任意多的列，Hbase的数据都是以字符串进行存储的，在列数据为空的情况下，是不会占用存储空间的。最大程度上节省了存储开销，所以Hbase通常可以设计成系数的矩阵，这种方式比较接近实际的应用场景。

## HBase架构 ##

![Ffvrb4.png][]

### Client ###

Client包含了访问Hbase的接口，是整个HBase系统的入口，使用者可以通过客户端操作Hbase客户端使用HBase的RPC机制和HMaster和RegionServer进行通信，一般情况下，客户端与HMaster进行管理类的操作通信，在获取RegionServer的信息后，直接与RegionServer进行数据的读写类操作，另外Client还维护了对应的cache来加速Hbase的访问，比如cache的.META.元数据的信息。客户端可以使用Java语言来实现、也可以是Thtift、Rest等客户端模式，甚至是MapReduce也可以算作是一种客户端。

### ZooKeeper ###

ZooKeeper是一个高性能、集中化、分布式应用程序协调服务，主要用了解决分布式应用中常遇到的数据管理问题，比如数据发布/订阅、命名服务、分布式协调通知、集群管理、Master选举、分布式锁、分布式队列等。其中Master选举是Zookeeper中最经典的应用场景，在Hadoop中，Zookeeper主要实现HA高可用，包括NameNode和YARN的ResourceManager的HA。

#### Master选举 ####

同HDFS的HA机制一样，Hbase集群中有多个HMaster并存，通过竞争选举保证同一时刻只有一个HMaster处于活跃状态，一旦这个HMaster无法使用，则从备用节点选举一个顶上，保证集群的高扩展性。

#### 系统容错 ####

在HBase启动时，每个RegioServer在加入集群时都需要到ZooKeeper中进行注册，创建一个状态节点，ZooKeeper会实时监控每个RegionServer的状态同时，HMaster会对这些注册的RegionServer进行监听，当某个RegionServer挂掉之后,ZooKeeper会因为一段时间内接收不到它的心跳信息而删除该RegionServer对于的状态节点，把并且给HMaster发送节点删除的通知，这时,HMaster获知集群中某节点断开，会立即调度其他节点开启容错机制。

#### Region元数据管理 ####

在Hbase集群中，region元数据被存储在.META.表中 每次客户端发起新的请求时，需要查询.META.表来获取region的位置。.META.表是存在ZooKeeper中的。当RegionServer发生变化时，比如region的手工移动、进行负载均衡移动或者region所在的RegionServer出现故障等，就通过ZooKeeper来感知这一变化，保证客户端能够获得正确的region元数据信息。

#### Region状态管理 ####

HBase集群中region会经常发生变更，变更的原因可能是系统故障，或者是配置修改，还有region的分裂和合并。只要region发生变化，就需要集群的所有节点知晓，否则就会出现某些事务性的异常。对于Hbase集群，region发生变化，就需要集群的所有节点知晓，否则会出现某些事务性的异常，对于HBase集群，region的数量会达到10万级别，甚至更多，如果这样规模的region状态管理直接由HMaster来实现，可想而知HMaster负担会很重，因此只有通过ZooKeeper系统来完成。

#### 元数据信息 ####

ZooKeeper存储HBase中有哪些表，每个表包含那些列族信息，存储元数据的统一入口地址。

### HMaster ###

HMaster是HBase集群中的主服务器，负责监控集群中的所有RegionServer，并且是所有元数据更改的接口，分布式环境中HMaster服务通常运行在HDFS的NameNode上，HMaster通过ZooKeeper来避免单点故障，在集群当中可以启动多个HMaster，但ZooKeeper的选举机制能够保证同时只有一个HMaster处于Active状态，其他的HMaster处于热备状态。HMaster主要负责表和region的管理作业。

1.  管理用户对于表的增删改查

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>相关的</th> 
 <th>功能</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>HBase表</td> 
 <td>创建表、删除表、启用/失效表、修改表</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>HBase列族</td> 
 <td>添加列、修改列、删除列</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>HBase表region</td> 
 <td>移动region、region的分配和合并</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  管理RegionServer的负载均衡，调整region的分布。
2.  Region的分配和移除
3.  处理RegionServer的故障转移  
    当某台RegionServer挂掉时，总有一部分新写入的数据还没有持久化到磁盘上，因此在迁移RegionServer服务是，需要从修改记录中恢复这部分还在内存中的数据，HMaster需要遍历该RegionServer的修改记录，并按region切分成小块移动到新的地址下。
    
    当HMaster节点发生故障时，由于客户端时进行与RegionServer交互的，且.META.表也时存在ZooKeeper当中，整个集群的工作会继续正常运行，所以HMaster发生故障时，集群仍然可以稳定运行。但是HMaster还会执行一些重要的工作，比如region的切片，RegionServer的故障冠以等，如果HMaster发生故障而没有及时处理，这些功能都会受到影响，所以HMaster要尽快恢复工作。ZooKeeper组件就提供了这种多HMaster的机制提高HBase的可用性和鲁棒性。

### RegionServer ###

RegionServer主要负责用户的请求，向HDFS中读写数据。一般在分布式集群中，RegionServer运行在DataNode服务器上，实现数据的本地性，每个RegionServer包含多个region，它负责的功能有：

1.  处理给它的region
2.  处理客户端读写请求
3.  刷新缓存到HDFS中
4.  处理region分配
5.  执行压缩

RegionServer时HBase中最核心的部分，其内部管理了一系列的region对象，每个region由多个HStore组成，每个HStore对应列表中一个列族的存储。这可以看到HBase时按照列进行存储的，将列族作为一个集中的存储单元，并且HBase将具备同I/O特性的列放到一个列族中，这样可以保证写的高效性。RegionServer最终将region数据存在HDFS上，采用HDFS作为底层存储。HBase自身并不具备数据和维护数据副本的功能，而依赖HDFS可以为HBase提供可靠和稳定的存储。当然HBase也可以不采用HDFS，比如它可以使用本地文件系统或云计算环境中的Amzon S3。

### 其他组件 ###

#### WAL ####

HBase的修改记录，当对HBase读写数据的时候，数据不是直接写进磁盘，它会在内存中保留一段时间（时间以及数据量阈值可以设定）。但把数据保存在内存中可能有更高的概率引起数据丢失，为了解决这个问题，数据会先写在一个叫做Write-Ahead logfile的文件中，然后再写入内存中。所以在系统出现故障的时候，数据可以通过这个日志文件重建。

#### Region ####

Hbase表的分片，HBase表会根据RowKey值被切分成不同的region存储在RegionServer中，在一个RegionServer中可以有多个不同的region。

#### Store ####

HFile存储在Store中，一个Store对应HBase表中的一个列族。

#### MemStore ####

顾名思义，就是内存存储，位于内存中，用来保存当前的数据操作，所以当数据保存在WAL中之后，RegsionServer会在内存中存储键值对。

#### HFile ####

这是在磁盘上保存原始数据的实际的物理文件，是实际的存储文件。StoreFile是以Hfile的形式存储在HDFS的。

## 安装 ##

### 前置条件： ###

Zookeeper正常部署 Hadoop正常部署

### 解压文件 ###

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 </pre></td> 
 <td><pre>tar -zxvf hbase-1.3.1-bin.tar.gz -C /opt/module </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 配置文件 ###

#### hbase-env.sh ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 2 </pre></td> 
 <td><pre>export JAVA_HOME=/opt/module/jdk1.8.0_144 export HBASE_MANAGES_ZK=false </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### hbase-site.xml ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 </pre></td> 
 <td><pre>&lt;configuration&gt; &lt;property&gt; &lt;name&gt;hbase.rootdir&lt;/name&gt; &lt;value&gt;hdfs://datanode1:9000/hbase&lt;/value&gt; &lt;/property&gt; &lt;property&gt; &lt;name&gt;hbase.cluster.distributed&lt;/name&gt; &lt;value&gt;true&lt;/value&gt; &lt;/property&gt; &lt;!-- 0.98后的新变动，之前版本没有.port,默认端口为60000 --&gt; &lt;property&gt; &lt;name&gt;hbase.master.port&lt;/name&gt; &lt;value&gt;16000&lt;/value&gt; &lt;/property&gt; &lt;property&gt; &lt;name&gt;hbase.zookeeper.quorum&lt;/name&gt; &lt;value&gt;datanode1:2181,datanode2:2181,datanode3:2181&lt;/value&gt; &lt;/property&gt; &lt;property&gt; &lt;name&gt;hbase.zookeeper.property.dataDir&lt;/name&gt; &lt;value&gt;/opt/module/zookeeper-3.4.10/data/zkData&lt;/value&gt; &lt;/property&gt; &lt;/configuration&gt; </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### regionservers ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 2 3 </pre></td> 
 <td><pre>datanode1 datanode2 datanode3 </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 软连接 ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 2 </pre></td> 
 <td><pre>ln -s /opt/module/hadoop/etc/hadoop/core-site.xml /opt/module/hbase/conf/core-site.xml ln -s /opt/module/hadoop/etc/hadoop/hdfs-site.xml /opt/module/hbase/conf/hdfs-site.xml </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 同步 ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 </pre></td> 
 <td><pre>xsync hbase/ </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 启动 ####

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td><pre>1 </pre></td> 
 <td><pre>start-hbase.sh </pre></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 查看 web界面 ####

![FhP8SA.png][]

## 使用场景 ##

*  数据模式时动态的或者可变的，且支持半结构化和非结构化的数据。
 *  数据库中很多列都包含了很多空字段，在HBase中空字段不会像关系型数据库占用空间。
 *  需要很高的吞吐量，瞬间写入量大。
 *  数据很多版本需要维护，HBase利用时间戳来区分不同版本的数据。
 *  具有高可拓展性，能动态拓展整个系统。

![FhNedf.png][]

#### 业务场景 ####

对象存储：我们知道不少的头条类、新闻类的的新闻、网页、图片存储在HBase之中，一些病毒公司的病毒库也是存储在HBase之中

时序数据：HBase之上有OpenTSDB模块，可以满足时序类场景的需求

推荐画像：特别是用户的画像，是一个比较大的稀疏矩阵，蚂蚁的风控就是构建在HBase之上

时空数据：主要是轨迹、气象网格之类，滴滴打车的轨迹数据主要存在HBase之中，另外在技术所有大一点的数据量的车联网企业，数据都是存在HBase之中

CubeDB OLAP：Kylin一个cube分析工具，底层的数据就是存储在HBase之中，不少客户自己基于离线计算构建cube存储在hbase之中，满足在线报表查询的需求

消息/订单：在电信领域、银行领域，不少的订单查询底层的存储，另外不少通信、消息同步的应用构建在HBase之上

Feeds流：典型的应用就是xx朋友圈类似的应用

NewSQL：之上有Phoenix的插件，可以满足二级索引、SQL的需求，对接传统数据需要SQL非事务的需求

参考资料：[Hbase技术社区][Hbase]

[http_hbase.apache.org]: http://hbase.apache.org
[Ffvrb4.png]: /images/20220210/6be5439f760243609ab65e0d4390235c.png
[FhP8SA.png]: /images/20220210/f5befbb5fbc14df8b074b7a164339cac.png
[FhNedf.png]: /images/20220210/6f0b5c57c2b1492aab5008f16de60553.png
[Hbase]: https://mp.weixin.qq.com/s/A3_qPtuDOxUtsk67D7qFNQ