Google云平台技术架构

Posted 2020-07-06 Michael.Andrews

Google Cloud 

设计原理：

1.分布式文件系统： Google Distributed File System(GSF)

 

为了满足Google迅速增长的数据处理需求，我们设计并实现了Google文件系统(Google File System – GFS)。GFS与传统的分布式文件系统有着很多相同的设计目标，比如，性能、可伸缩性、可靠性以及可用性。但是，我们的设计还基于我们对我们自己的应用 的负载情况和技术环境的观察的影响，不管现在还是将来，GFS和早期文件系统的假设都有明显的不同。所以我们重新审视了传统文件系统在设计上的折衷选择， 衍生出了完全不同的设计思路。

 

首先，组件失效被认为是常态事件，而不是意外事件。GFS包括几百甚至几千台普通的廉价设备组装的存储机器，同时被相当数量的客户机访问。 GFS组件的数量和质量导致在事实上，任何给定时间内都有可能发生某些组件无法工作，某些组件无法从它们目前的失效状态中恢复。我们遇到过各种各样的问 题，比如应用程序bug、操作系统的bug、人为失误，甚至还有硬盘、内存、连接器、网络以及电源失效等造成的问题。所以，持续的监控、错误侦测、灾难冗 余以及自动恢复的机制必须集成在GFS中。

 

其次，以通常的标准衡量，我们的文件非常巨大。数GB的文件非常普遍。每个文件通常都包含许多应用程序对象，比如web文档。当我们经常需要处 理快速增长的、并且由数亿个对象构成的、数以TB的数据集时，采用管理数亿个KB大小的小文件的方式是非常不明智的，尽管有些文件系统支持这样的管理方 式。因此，设计的假设条件和参数，比如I/O操作和Block的尺寸都需要重新考虑。

 

第三，绝大部分文件的修改是采用在文件尾部追加数据，而不是覆盖原有数据的方式。对文件的随机写入操作在实际中几乎不存在。一旦写完之后，对文 件的操作就只有读，而且通常是按顺序读。大量的数据符合这些特性，比如：数据分析程序扫描的超大的数据集；正在运行的应用程序生成的连续的数据流；存档的 数据；由一台机器生成、另外一台机器处理的中间数据，这些中间数据的处理可能是同时进行的、也可能是后续才处理的。对于这种针对海量文件的访问模式，客户 端对数据块缓存是没有意义的，数据的追加操作是性能优化和原子性保证的主要考量因素。

 

第四，应用程序和文件系统API的协同设计提高了整个系统的灵活性。比如，我们放松了对GFS一致性模型的要求，这样就减轻了文件系统对应用程 序的苛刻要求，大大简化了GFS的设计。我们引入了原子性的记录追加操作，从而保证多个客户端能够同时进行追加操作，不需要额外的同步操作来保证数据的一 致性。本文后面还有对这些问题的细节的详细讨论。

 

Google已经针对不同的应用部署了多套GFS集群。最大的一个集群拥有超过1000个存储节点，超过300TB的硬盘空间，被不同机器上的数百个客户端连续不断的频繁访问。

 

2.并行数据处理 MapReduce

 

MapReduce 解释：

 

MapReduce是一种编程模型，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。概念"Map（映射）"和"Reduce（归约）"，是它们的主要思想，都是从函数式编程语言里借来的，还有从矢量编程语言里借来的特性。它极大地方便了编程人员在不会分布式并行编程的情况下，将自己的程序运行在分布式系统上。 当前的软件实现是指定一个Map（映射）函数，用来把一组键值对映射成一组新的键值对，指定并发的Reduce（归约）函数，用来保证所有映射的键值对中的每一个共享相同的键组

 

MapReduce提供了以下的主要功能：

1）数据划分和计算任务调度：

系统自动将一个作业（Job）待处理的大数据划分为很多个数据块，每个数据块对应于一个计算任务（Task），并自动 调度计算节点来处理相应的数据块。作业和任务调度功能主要负责分配和调度计算节点（Map节点或Reduce节点），同时负责监控这些节点的执行状态，并 负责Map节点执行的同步控制。

2）数据/代码互定位：

为了减少数据通信，一个基本原则是本地化数据处理，即一个计算节点尽可能处理其本地磁盘上所分布存储的数据，这实现了代码向 数据的迁移；当无法进行这种本地化数据处理时，再寻找其他可用节点并将数据从网络上传送给该节点（数据向代码迁移），但将尽可能从数据所在的本地机架上寻 找可用节点以减少通信延迟。

3）系统优化：

为了减少数据通信开销，中间结果数据进入Reduce节点前会进行一定的合并处理；一个Reduce节点所处理的数据可能会来自多个 Map节点，为了避免Reduce计算阶段发生数据相关性，Map节点输出的中间结果需使用一定的策略进行适当的划分处理，保证相关性数据发送到同一个 Reduce节点；此外，系统还进行一些计算性能优化处理，如对最慢的计算任务采用多备份执行、选最快完成者作为结果。

4）出错检测和恢复：

以低端商用服务器构成的大规模MapReduce计算集群中，节点硬件（主机、磁盘、内存等）出错和软件出错是常态，因此 MapReduce需要能检测并隔离出错节点，并调度分配新的节点接管出错节点的计算任务。同时，系统还将维护数据存储的可靠性，用多备份冗余存储机制提 高数据存储的可靠性，并能及时检测和恢复出错的数据。

MapReduce设计上具有以下主要的技术特征：

1）向“外”横向扩展，而非向“上”纵向扩展

即MapReduce集群的构建完全选用价格便宜、易于扩展的低端商用服务器，而非价格昂贵、不易扩展的高端服务器。

对于大规模数据处理，由于有大 量数据存储需要，显而易见，基于低端服务器的集群远比基于高端服务器的集群优越，这就是为什么MapReduce并行计算集群会基于低端服务器实现的原 因。

2）失效被认为是常态

MapReduce集群中使用大量的低端服务器，因此，节点硬件失效和软件出错是常态，因而一个良好设计、具有高容错性的并行计算系统不能因为节点 失效而影响计算服务的质量，任何节点失效都不应当导致结果的不一致或不确定性；任何一个节点失效时，其他节点要能够无缝接管失效节点的计算任务；当失效节 点恢复后应能自动无缝加入集群，而不需要管理员人工进行系统配置。

MapReduce并行计算软件框架使用了多种有效的错误检测和恢复机制，如节点自动重 启技术，使集群和计算框架具有对付节点失效的健壮性，能有效处理失效节点的检测和恢复。

3）把处理向数据迁移

传统高性能计算系统通常有很多处理器节点与一些外存储器节点相连，如用存储区域网络（Storage Area，SAN Network）连接的磁盘阵列，因此，大规模数据处理时外存文件数据I/O访问会成为一个制约系统性能的瓶颈。

为了减少大规模数据并行计算系统中的数据 通信开销，代之以把数据传送到处理节点（数据向处理器或代码迁移），应当考虑将处理向数据靠拢和迁移。MapReduce采用了数据/代码互定位的技术方法，计算节点将首先尽量负责计算其本地存储的数据，以发挥数据本地化特点，仅当节点无法处理本地数据时，再采用就近原则寻找其他可用计算节点，并把数据传送到该可用计算节点。

4）顺序处理数据、避免随机访问数据

大规模数据处理的特点决定了大量的数据记录难以全部存放在内存，而通常只能放在外存中进行处理。由于磁盘的顺序访问要远比随机访问快得多，因此 MapReduce主要设计为面向顺序式大规模数据的磁盘访问处理。

为了实现面向大数据集批处理的高吞吐量的并行处理，MapReduce可以利用集群中 的大量数据存储节点同时访问数据，以此利用分布集群中大量节点上的磁盘集合提供高带宽的数据访问和传输。

5）为应用开发者隐藏系统层细节

软件工程实践指南中，专业程序员认为之所以写程序困难，是因为程序员需要记住太多的编程细节（从变量名到复杂算法的边界情况处理），这对大脑记忆是 一个巨大的认知负担，需要高度集中注意力；而并行程序编写有更多困难，如需要考虑多线程中诸如同步等复杂繁琐的细节。由于并发执行中的不可预测性，程序的 调试查错也十分困难；而且，大规模数据处理时程序员需要考虑诸如数据分布存储管理、数据分发、数据通信和同步、计算结果收集等诸多细节问题。

MapReduce提供了一种抽象机制将程序员与系统层细节隔离开来，程序员仅需描述需要计算什么（What to compute），而具体怎么去计算（How to compute）就交由系统的执行框架处理，这样程序员可从系统层细节中解放出来，而致力于其应用本身计算问题的算法设计。

6）平滑无缝的可扩展性

这里指出的可扩展性主要包括两层意义上的扩展性：数据扩展和系统规模扩展性。

理想的软件算法应当能随着数据规模的扩大而表现出持续的有效性，性能上的下降程度应与数据规模扩大的倍数相当；在集群规模上，要求算法的计算性能应能随着节点数的增加保持接近线性程度的增长。绝大多数现有的单机算法都达不到 以上理想的要求；把中间结果数据维护在内存中的单机算法在大规模数据处理时很快失效；从单机到基于大规模集群的并行计算从根本上需要完全不同的算法设计。奇妙的是，MapReduce在很多情形下能实现以上理想的扩展性特征。

多项研究发现，对于很多计算问题，基于MapReduce的计算性能可随节点数目增长保持近似于线性的增长

 

3.分布式锁: Chubby

 

 首先，Chubby是什么？Chubby主要用于解决分布式一致性问题。在一个分布式系统中，有一组的Process，它们需要确定一个Value。于是每个Process都提出了一个Value，一致性就是指只有其中的一个Value能够被选中作为最后确定的值，并且当这个值被选出来以后，所有的Process都需要被通知到。这就是一致性问题。

       其次，它是一个粗粒度的分布式锁服务。本质上，Chubby是Google设计的提供粗粒度锁服务的文件系统，存储大量小文件。每个文件就代表一个锁。在GFS中，创建文件就是进行“加锁”操作，创建文件成功的那个server其实就是抢占到了“锁”。用户通过打开、关闭、读取文件来获取共享锁或者独占锁；并通过通信机制，向用户发送更新信息。一群机器需要选举master时，这些机器同时申请某个锁文件。成功获取锁得服务器当选主服务器，并在文件中写入自己的地址。其他服务器通过读取文件中的数据获取master的地址。其他分布式系统可以使用它对共享资源的访问进行同步。同时这种锁服务是建议性的，而非强制性的，这样能带来更大的灵活性。

       Chubby的设计目标基于以下几点：高可用性、高可靠性、支持粗粒度的建议性锁服务、支持小规模文件直接存储，这些当然是拿高性能与存储能力tradeoff来的。

 

4.结构数据表 BigTable

 

BigTable是非关系型数据库，是一个稀疏的、分布式的、持久化存储的多维度排序Map。Bigtable的设计目的是快速且可靠地处理PB级别的数据，并且能够部署到上千台机器上

 

Bigtable已经实现了以下的几个目标：适用性广泛、可扩展、高性能和高可用性。

 

在很多方面，Bigtable和数据库很类似：它使用了很多数据库的实现策略。并行数据库和内存数据库已经具备可扩展性和高性能，但是Bigtable提供了一个和这些系统完全不同的接口。

Bigtable不支持完整的关系数据模型；与之相反，Bigtable为客户提供了简单的数据模型，利用这个模型，客户可以动态控制数据的分布和格式（alex注：也就是对BigTable而言，数据是没有格式的，用数据库领域的术语说，就是数据没有Schema，用户自己去定义Schema），用户也可以自己推测(alex注：reasonabout)底层存储数据的位置相关性(alex注：位置相关性可以这样理解，比如树状结构，具有相同前缀的数据的存放位置接近。在读取的时候，可以把这些数据一次读取出来)。数据的下标是行和列的名字，名字可以是任意的字符串。

Bigtable将存储的数据都视为字符串，但是Bigtable本身不去解析这些字符串，客户程序通常会在把各种结构化或者半结构化的数据串行化到这些字符串里。通过仔细选择数据的模式，客户可以控制数据的位置相关性。最后，可以通过BigTable的模式参数来控制数据是存放在内存中还是硬盘上。

特点:

1、适合大规模海量数据，PB级数据；

2、分布式、并发数据处理，效率极高；

3、易于扩展，支持动态伸缩；

4、适用于廉价设备；

5、适合于读操作，不适合写操作。

6、不适用于传统关系型数据库；