hadoop生态圈列式存储系统--kudu

介绍

Kudu 是一个针对 Apache Hadoop 平台而开发的列式存储管理器。Kudu 共享 Hadoop 生态系统应用的常见技术特性: 它在 commodity hardware（商品硬件）上运行，horizontally scalable（水平可扩展），并支持 highly available（高可用）性操作。此外，Kudu 还有更多优化的特点：

• OLAP 工作的快速处理。
• 与 MapReduce，Spark 和其他 Hadoop 生态系统组件集成。
• 与 Apache Impala（incubating）紧密集成，使其与 Apache Parquet 一起使用 HDFS 成为一个很好的可变的替代方案。
• 强大而灵活的一致性模型，允许您根据每个 per-request（请求选择）一致性要求，包括 strict-- serializable（严格可序列化）一致性的选项。
• 针对同时运行顺序和随机工作负载的情况性能很好。
• 使用 Cloudera Manager 轻松维护和管理。
• High availability（高可用性）。Tablet server 和 Master 使用 Raft Consensus Algorithm 来保证节点的 -- 高可用，确保只要有一半以上的副本可用，该 tablet 便可用于读写。例如，如果 3 个副本中有 2 个或 5 个副本中的 3 个可用，则该 tablet 可用。即使在 leader tablet 出现故障的情况下，读取功能也可以通过 read-only（只读的）follower tablets 来进行服务。
• 结构化数据模型。

通过结合这些所有的特性，Kudu 的目标是支持应用家庭中那些难以在当前Hadoop 存储技术中实现的应用。Kudu 常见的几个应用场景:

• 实时更新的应用。刚刚到达的数据就马上要被终端用户使用访问到。
• 时间序列相关的应用，需要同时支持：

根据海量历史数据查询。

必须非常快地返回关于单个实体的细粒度查询。

• 实时预测模型的应用，支持根据所有历史数据周期地更新模型。
• 有关这些和其他方案的更多信息，请参阅 Example Use Cases。

Kudu-Impala 集成特性

CREATE/ALTER/DROP TABLE

Impala 支持使用 Kudu 作为持久层来 creating（创建），altering（修改）和 dropping（删除）表。这些表遵循与 Impala 中其他表格相同的 Internal / external（内部 / 外部）方法，允许灵活的数据采集和查询。

INSERT

数据可以使用与那些使用 HDFS 或 HBase 持久性的任何其他 Impala 表相同的语法插入 Impala 中的 Kudu 表。

UPDATE / DELETE

Impala 支持 UPDATE 和 DELETE SQL 命令逐行或批处理修改 Kudu 表中的已有的数据。选择 SQL 命令的语法与现有标准尽可能兼容。除了简单 DELETE 或 UPDATE 命令之外，还可以 FROM 在子查询中指定带有子句的复杂连接。

Flexible Partitioning（灵活分区）

与 Hive 中的表分区类似，Kudu 允许您通过 hash 或范围动态预分割成预定义数量的 tablets，以便在集群中均匀分布写入和查询。您可以通过任意数量的 primary key（主键）列，任意数量的 hashes 和可选的 list of split rows 来进行分区。参见模式设计。

Parallel Scan（并行扫描）

为了在现代硬件上实现最高的性能，Impala 使用的 Kudu 客户端可以跨多个 tablets 扫描。

High-efficiency queries（高效查询）

在可能的情况下，Impala 将谓词评估下推到 Kudu，以便使谓词评估为尽可能接近数据。在许多任务中，查询性能与 Parquet 相当。

有关使用 Impala 查询存储在 Kudu 中的数据的更多详细信息，请参阅 Impala 文档。

概念和术语

Columnar Data Store（列式数据存储）

Kudu 是一个 columnar data store（列式数据存储）。列式数据存储在强类型列中。由于几个原因，通过适当的设计，Kudu 对 analytical（分析）或 warehousing（数据仓库）工作会非常出色。

Read Efficiency（高效读取）

对于分析查询，允许读取单个列或该列的一部分同时忽略其他列，这意味着您可以在磁盘上读取更少块来完成查询。与基于行的存储相比，即使只返回几列的值，仍需要读取整行数据。

Data Compression（数据压缩）

由于给定的列只包含一种类型的数据，基于模式的压缩比压缩混合数据类型（在基于行的解决方案中使用）时更有效几个数量级。结合从列读取数据的效率，压缩允许您在从磁盘读取更少的块时完成查询。请参阅 数据压缩

Table（表）

一张 table 是数据存储在 Kudu 的位置。表具有 schema 和全局有序的 primary key（主键）。table 被分成称为 tablets 的 segments。

Tablet

一个 tablet 是一张 table 连续的 segment，与其它数据存储引擎或关系型数据库中的 partition（分区）相似。给定的 tablet 冗余到多个 tablet 服务器上，并且在任何给定的时间点，其中一个副本被认为是 leader tablet。任何副本都可以对读取进行服务，并且写入时需要在为 tablet 服务的一组 tablet server之间达成一致性。

Tablet Server

一个 tablet server 存储 tablet 和为 tablet 向 client 提供服务。对于给定的 tablet，一个 tablet server 充当 leader，其他 tablet server 充当该 tablet 的 follower 副本。只有 leader 服务写请求，然而 leader 或 followers 为每个服务提供读请求。leader 使用 Raft Consensus Algorithm 来进行选举 。一个 tablet server 可以服务多个 tablets ，并且一个 tablet 可以被多个 tablet servers 服务着。

Master

该 master 保持跟踪所有的 tablets，tablet servers，Catalog Table 和其它与集群相关的 metadata。在给定的时间点，只能有一个起作用的 master（也就是 leader）。如果当前的 leader 消失，则选举出一个新的 master，使用 Raft Consensus Algorithm 来进行选举。master 还协调客户端的 metadata operations（元数据操作）。例如，当创建新表时，客户端内部将请求发送给 master。 master 将新表的元数据写入 catalog table，并协调在 tablet server 上创建 tablet 的过程。所有 master 的数据都存储在一个 tablet 中，可以复制到所有其他候选的 master。tablet server 以设定的间隔向 master 发出心跳（默认值为每秒一次）。

Raft Consensus Algorithm

Kudu 使用 Raft consensus algorithm 作为确保常规 tablet 和 master 数据的容错性和一致性的手段。通过 Raft，tablet 的多个副本选举出 leader，它负责接受以及复制到 follower 副本的写入。一旦写入的数据在大多数副本中持久化后，就会向客户确认。给定的一组 N 副本（通常为 3 或 5 个）能够接受最多(N - 1)/2 错误的副本的写入。

Catalog Table（目录表）

catalog table 是 Kudu 的 metadata（元数据中）的中心位置。它存储有关 tables 和 tablets 的信息。该 catalog table（目录表）可能不会被直接读取或写入。相反，它只能通过客户端 API 中公开的元数据操作访问。catalog table 存储两类元数据:

• Tables

table schemas, locations, and states（表结构，位置 和状态）

• Tablets

现有 tablet 的列表，每个 tablet 的副本所在哪些 tablet server，tablet 的当前状态以及开始和结束的 keys（键）。

Logical Replication（逻辑复制）

Kudu 复制操作，不是磁盘上的数据。这被称为 logical replication（逻辑复制），而不是 physical replication（物理复制）。这有几个优点 :

• 虽然 insert（插入）和 update（更新）确实通过网络传输数据，deletes（删除）不需要移动任何数据。delete（删除）操作被发送到每个 tablet server，它在本地执行删除。
• 物理操作，如 compaction，不需要通过 Kudu 的网络传输数据。这与使用 HDFS 的存储系统不同，其中 blocks （块）需要通过网络传输以满足所需数量的副本。
• tablet 不需要在同一时间或相同的时间表上执行压缩，或者在物理存储层上保持同步。这会减少由于压缩或大量写入负载而导致所有 tablet server 同时遇到高延迟的机会。

架构概述

下图显示了一个具有三个 master 和多个 tablet server 的 Kudu 集群，每个服务器都支持多个 tablet。它说明了如何使用 Raft 共识来允许 master 和 tablet server 的 leader 和 follow。此外，tablet server 可以成为某些 tablet 的 leader，也可以是其他 tablet 的 follower。leader 以金色显示，而 follower 则显示为蓝色。

使用场景

Streaming Input with Near Real Time Availability（具有近实时可用性的流输入）

数据分析中的一个共同挑战就是新数据快速而不断地到达，同样的数据需要靠近实时的读取，扫描和更新。Kudu 通过高效的列式扫描提供了快速插入和更新的强大组合，从而在单个存储层上实现了实时分析用例。

Time-series application with widely varying access patterns（具有广泛变化的访问模式的时间序列应用）

time-series（时间序列）模式是根据其发生时间组织和键入数据点的模式。这可以用于随着时间的推移调查指标的性能，或者根据过去的数据尝试预测未来的行为。例如，时间序列的客户数据可以用于存储购买点击流历史并预测未来的购买，或由客户支持代表使用。虽然这些不同类型的分析正在发生，插入和更换也可能单独和批量地发生，并且立即可用于读取工作负载。Kudu 可以用 scalable （可扩展）和 efficient （高效的）方式同时处理所有这些访问模式。由于一些原因，Kudu 非常适合时间序列的工作负载。随着 Kudu 对基于 hash 的分区的支持，结合其对复合 row keys（行键）的本地支持，将许多服务器上的表设置成很简单，而不会在使用范围分区时通常观察到“hotspotting（热点）”的风险。Kudu 的列式存储引擎在这种情况下也是有益的，因为许多时间序列工作负载只读取了几列，而不是整行。 过去，您可能需要使用多个数据存储来处理不同的数据访问模式。这种做法增加了应用程序和操作的复杂性，并重复了数据，使所需存储量增加了一倍（或更糟）。Kudu 可以本地和高效地处理所有这些访问模式，而无需将工作卸载到其他数据存储。

Predictive Modeling（预测建模）

数据科学家经常从大量数据中开发预测学习模型。模型和数据可能需要在学习发生时或随着建模情况的变化而经常更新或修改。此外，科学家可能想改变模型中的一个或多个因素，看看随着时间的推移会发生什么。在 HDFS 中更新存储在文件中的大量数据是资源密集型的，因为每个文件需要被完全重写。在 Kudu，更新发生在近乎实时。科学家可以调整值，重新运行查询，并以秒或分钟而不是几小时或几天刷新图形。此外，批处理或增量算法可以随时在数据上运行，具有接近实时的结果。

**Combining Data In Kudu With Legacy Systems（结合 Kudu 与遗留系统的数据） **

公司从多个来源生成数据并将其存储在各种系统和格式中。例如，您的一些数据可能存储在 Kudu，一些在传统的 RDBMS 中，一些在 HDFS 中的文件中。您可以使用 Impala 访问和查询所有这些源和格式，而无需更改旧版系统。

安装前提和准备

硬件：

• 一台或者多台机器跑kudu-master。建议跑一个master(无容错机制)、三个master(允许一个节点运行出错)或者五个master(允许两个节点出错)。
• 一台或者多台机器跑kudu-tserver。当需要使用副本，至少需要三个节点运行kudu-tserver服务。

操作系统(主要是linux系统，windows系统不支持)：

• RHEL 6, RHEL 7, CentOS 6, CentOS 7, Ubuntu 14.04 (Trusty), Ubuntu 16.04 (Xenial), Debian 8 (Jessie), or SLES 12.
• 内核和文件系统支持 hole punching 选项。
• ntp服务。
• xfs or ext4 formatted drives

存储：

• 尽量使用固态存储，将显著提高kudu性能。

管理

• 如果你使用的是CDH，需要Cloudera Manager 5.4.3及以上的版本。

环境说明

• os：centos 6.7
• kudu版本：kudu-1.2.0+cdh5.10.0(这里使用的是cdh5.10的kudu，对应版本为1.2，下载地址：http://archive.cloudera.com/kudu/redhat/6/x86_64/kudu/5.10.0/RPMS/x86_64/)
• 组件安排如下：
  
  

安装ntp服务

# cat /etc/ntp.conf 

restrict default kod nomodify notrap nopeer noquery　　#拒绝IPV4用户　　　　　　　　　　
restrict -6 default kod nomodify notrap nopeer noquery  #拒绝ipV6用户
restrict 127.0.0.1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
restrict -6 ::1　
restrict 172.31.217.0 mask 255.255.255.0 nomodify notrap　#本地网段授权访问
server 172.31.217.173         #指定上级更新服务器
server 0.centos.pool.ntp.org
server 1.centos.pool.ntp.org　　　　　　　　　　　　　　　　
server 2.centos.pool.ntp.org 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
server  172.31.217.173     # local clock 　　　　　　　　　　　
fudge   172.31.217.173 stratum 10

# /etc/init.d/ntpd start 各个节点检查启动成功，否则启动kudu相关服务会报错

安装kudu

安装kudu-master

• 安装

# yum install kudu kudu-master kudu-client0 kudu-client-devel -y

• 基本配置

# cat /etc/kudu/conf/master.gflagfile
# Do not modify these two lines. If you wish to change these variables,
# modify them in /etc/default/kudu-master.
--fromenv=rpc_bind_addresses
--fromenv=log_dir
--fs_wal_dir=/opt/kudu/master
--fs_data_dirs=/opt/kudu/master

• 设置权限

# mkdir /opt/kudu && chown kudu:kudu /opt/kudu

• 启动

# /etc/init.d/kudu-master start

安装kudu-tserver

• 安装

# yum install kudu kudu-tserver kudu-client0 kudu-client-devel -y

• 基本配置

# cat /etc/kudu/conf/tserver.gflagfile
# Do not modify these two lines. If you wish to change these variables,
# modify them in /etc/default/kudu-tserver.
--fromenv=rpc_bind_addresses
--fromenv=log_dir
--fs_wal_dir=/opt/kudu/tserver
--fs_data_dirs=/opt/kudu/tserver
--tserver_master_addrs=bd-dev-ops-173:7051

• 设置权限

# mkdir /opt/kudu && chown kudu:kudu /opt/kudu

• 启动

# /etc/init.d/kudu-tserver start

• 图形界面
  
  通过master端的web界面观察运行情况：http://172.31.217.173:8051

可以看到所有组件都已安装完毕了。

参考资料

http://kudu.apache.org/docs/index.html