帶著問題學(xué)習(xí)分布式系統(tǒng)之?dāng)?shù)據(jù)分片

作者：xybaby 2018-08-24 07:03:45

大數(shù)據(jù)

分布式 本文主要討論數(shù)據(jù)分片的三個(gè)問題：(1)如何做數(shù)據(jù)分片，即如何將數(shù)據(jù)映射到節(jié)點(diǎn)；(2)數(shù)據(jù)分片的特征值，即按照數(shù)據(jù)中的哪一個(gè)屬性(字段)來分片；(3)數(shù)據(jù)分片的元數(shù)據(jù)的管理，如何保證元數(shù)據(jù)服務(wù)器的高性能、高可用，如果是一組服務(wù)器，如何保證強(qiáng)一致性。

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正文

在前文中，提出了分布式系統(tǒng)(尤其是分布式存儲(chǔ)系統(tǒng))需要解決的兩個(gè)最主要的問題，即數(shù)據(jù)分片和數(shù)據(jù)冗余，下面這個(gè)圖片(來源)形象生動(dòng)的解釋了其概念和區(qū)別： 

其中數(shù)據(jù)即A、B屬于數(shù)據(jù)分片，原始數(shù)據(jù)被拆分成兩個(gè)正交子集分布在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。而數(shù)據(jù)集C屬于數(shù)據(jù)冗余，同一份完整的數(shù)據(jù)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都有存儲(chǔ)。當(dāng)然，在實(shí)際的分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分片和數(shù)據(jù)冗余一般都是共存的。

本文主要討論數(shù)據(jù)分片的三個(gè)問題：

• (1)如何做數(shù)據(jù)分片，即如何將數(shù)據(jù)映射到節(jié)點(diǎn)
• (2)數(shù)據(jù)分片的特征值，即按照數(shù)據(jù)中的哪一個(gè)屬性(字段)來分片
• (3)數(shù)據(jù)分片的元數(shù)據(jù)的管理，如何保證元數(shù)據(jù)服務(wù)器的高性能、高可用，如果是一組服務(wù)器，如何保證強(qiáng)一致性

所謂分布式系統(tǒng)，就是利用多個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)來解決單個(gè)節(jié)點(diǎn)(計(jì)算機(jī))無法處理的存儲(chǔ)、計(jì)算問題，這是非常典型的分而治之的思想。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)原問題(即整個(gè)系統(tǒng)需要完成的任務(wù))的一個(gè)子集，那么原問題如何拆分到多個(gè)節(jié)點(diǎn)?在分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中，任務(wù)的拆分即數(shù)據(jù)分片。

何為數(shù)據(jù)分片(segment，fragment， shard， partition)，就是按照一定的規(guī)則，將數(shù)據(jù)集劃分成相互獨(dú)立、正交的數(shù)據(jù)子集，然后將數(shù)據(jù)子集分布到不同的節(jié)點(diǎn)上。注意，這里提到，數(shù)據(jù)分片需要按照一定的規(guī)則，不同的分布式應(yīng)用有不同的規(guī)則，但都遵循同樣的原則：按照最主要、最頻繁使用的訪問方式來分片。

三種數(shù)據(jù)分片方式

首先介紹三種分片方式：hash方式，一致性hash(consistent hash)，按照數(shù)據(jù)范圍(range based)。對(duì)于任何方式，都需要思考以下幾個(gè)問題：

1. 具體如何劃分原始數(shù)據(jù)集?
2. 當(dāng)原問題的規(guī)模變大的時(shí)候，能否通過增加節(jié)點(diǎn)來動(dòng)態(tài)適應(yīng)?
3. 當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障的時(shí)候，能否將該節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)均衡的分?jǐn)偟狡渌?jié)點(diǎn)?
4. 對(duì)于可修改的數(shù)據(jù)(比如數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù))，如果某節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量變大，能否以及如何將部分?jǐn)?shù)據(jù)遷移到其他負(fù)載較小的節(jié)點(diǎn)，及達(dá)到動(dòng)態(tài)均衡的效果?
5. 元數(shù)據(jù)的管理(即數(shù)據(jù)與物理節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系)規(guī)模?元數(shù)據(jù)更新的頻率以及復(fù)雜度?

為了后面分析不同的數(shù)據(jù)分片方式，假設(shè)有三個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為N0， N1， N2;有以下幾條記錄： 

  
 
 
 

   
  
  
  
R0: {id: 95, name: 'aa', tag:'older'}  
   
  
  
  
R1: {id: 302, name: 'bb',}  
   
  
  
  
R2: {id: 759, name: 'aa',}  
   
  
  
  
R3: {id: 607, name: 'dd', age: 18}  
   
  
  
  
R4: {id: 904, name: 'ff',}  
   
  
  
  
R5: {id: 246, name: 'gg',}  
   
  
  
  
R6: {id: 148, name: 'ff',}  
   
  
  
  
R7: {id: 533, name: 'kk',} 
  
 
 
 

hash方式：

哈希表(散列表)是最為常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)記錄(或者對(duì)象)的關(guān)鍵值將記錄映射到表中的一個(gè)槽(slot)，便于快速訪問。絕大多數(shù)編程語言都有對(duì)hash表的支持，如python中的dict， C++中的map，Java中的Hashtable， Lua中的table等等。在哈希表中，最為簡單的散列函數(shù)是 mod N(N為表的大小)。即首先將關(guān)鍵值計(jì)算出hash值(這里是一個(gè)整型)，通過對(duì)N取余，余數(shù)即在表中的位置。

數(shù)據(jù)分片的hash方式也是這個(gè)思想，即按照數(shù)據(jù)的某一特征(key)來計(jì)算哈希值，并將哈希值與系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)建立映射關(guān)系,從而將哈希值不同的數(shù)據(jù)分布到不同的節(jié)點(diǎn)上。

我們選擇id作為數(shù)據(jù)分片的key，那么各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)如下： 

由此可以看到，按照hash方式做數(shù)據(jù)分片，映射關(guān)系非常簡單;需要管理的元數(shù)據(jù)也非常之少，只需要記錄節(jié)點(diǎn)的數(shù)目以及hash方式就行了。

但hash方式的缺點(diǎn)也非常明顯：當(dāng)加入或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，大量的數(shù)據(jù)需要移動(dòng)。比如在這里增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)N3，因此hash方式變?yōu)榱薽od 4，數(shù)據(jù)的遷移如下： 

在這種方式下，是不滿足單調(diào)性(Monotonicity)的：如果已經(jīng)有一些內(nèi)容通過哈希分派到了相應(yīng)的緩沖中，又有新的緩沖加入到系統(tǒng)中。哈希的結(jié)果應(yīng)能夠保證原有已分配的內(nèi)容可以被映射到原有的或者新的緩沖中去，而不會(huì)被映射到舊的緩沖集合中的其他緩沖區(qū)。

在工程中，為了減少遷移的數(shù)據(jù)量，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目可以成倍增長，這樣概率上來講至多有50%的數(shù)據(jù)遷移。

hash方式還有一個(gè)缺點(diǎn)，即很難解決數(shù)據(jù)不均衡的問題。有兩種情況：原始數(shù)據(jù)的特征值分布不均勻，導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上;第二，對(duì)于可修改的記錄數(shù)據(jù)，單條記錄的數(shù)據(jù)變大。在這兩種情況下，都會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載不均衡，而且在hash方式下很難解決。

一致性hash

一致性hash是將數(shù)據(jù)按照特征值映射到一個(gè)首尾相接的hash環(huán)上，同時(shí)也將節(jié)點(diǎn)(按照IP地址或者機(jī)器名hash)映射到這個(gè)環(huán)上。對(duì)于數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)在環(huán)上的位置開始，順時(shí)針找到的***個(gè)節(jié)點(diǎn)即為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。這里仍然以上述的數(shù)據(jù)為例，假設(shè)id的范圍為[0， 1000]，N0， N1， N2在環(huán)上的位置分別是100， 400， 800，那么hash環(huán)示意圖與數(shù)據(jù)的分布如下： 

可以看到相比于上述的hash方式，一致性hash方式需要維護(hù)的元數(shù)據(jù)額外包含了節(jié)點(diǎn)在環(huán)上的位置，但這個(gè)數(shù)據(jù)量也是非常小的。

一致性hash在增加或者刪除節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，受到影響的數(shù)據(jù)是比較有限的，比如這里增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)N3，其在環(huán)上的位置為600，因此，原來N2負(fù)責(zé)的范圍段(400， 800]現(xiàn)在由N3(400， 600] N2(600, 800]負(fù)責(zé)，因此只需要將記錄R7(id:533) 從N2,遷移到N3:

不難發(fā)現(xiàn)一致性hash方式在增刪的時(shí)候只會(huì)影響到hash環(huán)上響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的數(shù)據(jù)遷移。

但是，一致性hash方式在增加節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，只能分?jǐn)傄粋€(gè)已存在節(jié)點(diǎn)的壓力;同樣，在其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛掉的時(shí)候，該節(jié)點(diǎn)的壓力也會(huì)被全部轉(zhuǎn)移到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們希望的是“一方有難，八方支援”，因此需要在增刪節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，已存在的所有節(jié)點(diǎn)都能參與響應(yīng)，達(dá)到新的均衡狀態(tài)。

因此，在實(shí)際工程中，一般會(huì)引入虛擬節(jié)點(diǎn)(virtual node)的概念。即不是將物理節(jié)點(diǎn)映射在hash換上，而是將虛擬節(jié)點(diǎn)映射到hash環(huán)上。虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)目遠(yuǎn)大于物理節(jié)點(diǎn)，因此一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)需要負(fù)責(zé)多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)的真實(shí)存儲(chǔ)。操作數(shù)據(jù)的時(shí)候，先通過hash環(huán)找到對(duì)應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)，再通過虛擬節(jié)點(diǎn)與物理節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系找到對(duì)應(yīng)的物理節(jié)點(diǎn)。

引入虛擬節(jié)點(diǎn)后的一致性hash需要維護(hù)的元數(shù)據(jù)也會(huì)增加：***，虛擬節(jié)點(diǎn)在hash環(huán)上的問題，且虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)目又比較多;第二，虛擬節(jié)點(diǎn)與物理節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系。但帶來的好處是明顯的，當(dāng)一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)失效是，hash環(huán)上多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)失效，對(duì)應(yīng)的壓力也就會(huì)發(fā)散到多個(gè)其余的虛擬節(jié)點(diǎn)，事實(shí)上也就是多個(gè)其余的物理節(jié)點(diǎn)。在增加物理節(jié)點(diǎn)的時(shí)候同樣如此。

工程中，Dynamo、Cassandra都使用了一致性hash算法，且在比較高的版本中都使用了虛擬節(jié)點(diǎn)的概念。在這些系統(tǒng)中，需要考慮綜合考慮數(shù)據(jù)分布方式和數(shù)據(jù)副本，當(dāng)引入數(shù)據(jù)副本之后，一致性hash方式也需要做相應(yīng)的調(diào)整， 可以參加cassandra的相關(guān)文檔。

range based

簡單來說，就是按照關(guān)鍵值劃分成不同的區(qū)間，每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)或者多個(gè)區(qū)間。其實(shí)這種方式跟一致性hash有點(diǎn)像，可以理解為物理節(jié)點(diǎn)在hash環(huán)上的位置是動(dòng)態(tài)變化的。

還是以上面的數(shù)據(jù)舉例，三個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)區(qū)間分別是N0(0, 200]， N1(200, 500]， N2(500, 1000]。那么數(shù)據(jù)分布如下： 

注意，區(qū)間的大小不是固定的，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間的數(shù)據(jù)量與區(qū)間的大小也是沒有關(guān)系的。比如說，一部分?jǐn)?shù)據(jù)非常集中，那么區(qū)間大小應(yīng)該是比較小的，即以數(shù)據(jù)量的大小為片段標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際工程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)往往負(fù)責(zé)多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間成為一個(gè)塊(chunk、block)，每個(gè)塊有一個(gè)閾值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)閾值之后就會(huì)分裂成兩個(gè)塊。這樣做的目的在于當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入的時(shí)候，可以快速達(dá)到均衡的目的。

不知道讀者有沒有發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)只有一個(gè)區(qū)間，range based與沒有虛擬節(jié)點(diǎn)概念的一致性hash很類似;如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)多個(gè)區(qū)間，range based與有虛擬節(jié)點(diǎn)概念的一致性hash很類似。

range based的元數(shù)據(jù)管理相對(duì)復(fù)雜一些，需要記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)區(qū)間范圍，特別單個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于多個(gè)區(qū)間的情況。而且，在數(shù)據(jù)可修改的情況下，如果塊進(jìn)行分裂，那么元數(shù)據(jù)中的區(qū)間信息也需要同步修改。

range based這種數(shù)據(jù)分片方式應(yīng)用非常廣泛，比如MongoDB, PostgreSQL， HDFS

小結(jié)：

在這里對(duì)三種分片方式(應(yīng)該是四種，有沒有virtual node的一致性hash算兩種)進(jìn)行簡單總結(jié)，主要是針對(duì)提出的幾個(gè)問題：

上面的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)均衡，值得是上述問題的第4點(diǎn)，即如果某節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量變大，能否以及如何將部分?jǐn)?shù)據(jù)遷移到其他負(fù)載較小的節(jié)點(diǎn)

分片特征值的選擇

上面的三種方式都提到了對(duì)數(shù)據(jù)的分片是基于關(guān)鍵值、特征值的。這個(gè)特征值在不同的系統(tǒng)中有不同的叫法，比如MongoDB中的sharding key， Oracle中的Partition Key，不管怎么樣，這個(gè)特征值的選擇都是非常非常重要的。

那么。怎么選擇這個(gè)特征值呢?《Distributed systems for fun and profit》給出了言簡意賅的標(biāo)準(zhǔn)：

• based on what you think the primary access pattern will be

大概翻譯為：基于最常用的訪問模式。訪問時(shí)包括對(duì)數(shù)據(jù)的增刪改查的。比如上面的列子，我們選擇“id”作為分片的依據(jù)，那么就是默認(rèn)對(duì)的數(shù)據(jù)增刪改查都是通過“id”字段來進(jìn)行的。

如果在應(yīng)用中，大量的數(shù)據(jù)操作都是通過這個(gè)特征值進(jìn)行，那么數(shù)據(jù)分片就能提供兩個(gè)額外的好處：

• (1)提升性能和并發(fā)，操作被分發(fā)到不同的分片，相互獨(dú)立
• (2)提升系統(tǒng)的可用性，即使部分分片不能用，其他分片不會(huì)受到影響

如果大量操作并沒有使用到特征值，那么就很麻煩了。比如在本文的例子中，如果用name去查詢，而元數(shù)據(jù)記錄的是如何根據(jù)按照id映射數(shù)據(jù)位置，那就尷尬了，需要到多有分片都去查一下，然后再做一個(gè)聚合!

另外一個(gè)問題，如果以單個(gè)字段為特征值(如id)，那么不管按照什么分布方式，在多條數(shù)據(jù)擁有相同的特征值(如id)的情況下，這些數(shù)據(jù)一定都會(huì)分布到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。在這種情況下有兩個(gè)問題，一是不能達(dá)到節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的均衡，二是如果數(shù)據(jù)超過了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力怎么辦?關(guān)鍵在于，即使按照分布式系統(tǒng)解決問題的常規(guī)辦法 -- 增加節(jié)點(diǎn) --也是于事無補(bǔ)的。

在這個(gè)時(shí)候，單個(gè)字段做特征值就不行了，可能得再增加一個(gè)字段作為“聯(lián)合特征值”，類似數(shù)據(jù)庫中的聯(lián)合索引。比如，數(shù)據(jù)是用戶的操作日志，可以使用id和時(shí)間戳一起作為hash函數(shù)的輸入，然后算出特征值;但在這種情況下，如果還想以id為查詢關(guān)鍵字來查詢，那就得遍歷所有節(jié)點(diǎn)了。

所以說沒有***的設(shè)計(jì)，只有***應(yīng)用需求的設(shè)計(jì)。

下面以MongoDB中的sharding key為例，解釋特征值選擇的重要性以及對(duì)數(shù)據(jù)操作的影響。如果有數(shù)據(jù)庫操作基礎(chǔ)，即使沒有使用過MongoDB，閱讀下面的內(nèi)容應(yīng)該也沒有問題。

以MongoDB sharding key為例

關(guān)于MongoDB Sharded cluster，之前也寫過一篇文章《通過一步步創(chuàng)建sharded cluster來認(rèn)識(shí)mongodb》，做了簡單介紹。在我的工作場景中，除了聯(lián)合查詢(join)和事務(wù)，MongoDB的使用和Mysql還是比較相似的，特別是基本的CRUD操作、數(shù)據(jù)庫索引。MongoDb中，每一個(gè)分片成為一個(gè)shard，分片的特征值成為sharding key，每個(gè)數(shù)據(jù)稱之為一個(gè)document。選擇適合的字段作為shardingkey非常重要，why?

前面也提到，如果使用非sharding key去訪問數(shù)據(jù)，那么元數(shù)據(jù)服務(wù)器(或者元數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器，后面會(huì)講解這一部分)是沒法知道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在哪一個(gè)shard上，那么該訪問就得發(fā)送到所有的shard，得到所有shard的結(jié)果之后再做聚合，在mongoDB中，由mongos(緩存有元數(shù)據(jù)信息)做數(shù)據(jù)聚合。對(duì)于數(shù)據(jù)讀取(R： read or retrieve)，通過同一個(gè)字段獲取到多個(gè)數(shù)據(jù)，是沒有問題的，只是效率比較低而已。對(duì)于數(shù)據(jù)更新，如果只能更新一個(gè)數(shù)據(jù)，那么在哪一個(gè)shard上更新呢，似乎都不對(duì)，這個(gè)時(shí)候，MongoDB是拒絕的。對(duì)應(yīng)到MongoDB(MongoDD3.0)的命令包括但不限于：

findandmodify：這個(gè)命令只能更新一個(gè)document，因此查詢部分必須包含sharding key

• When using findAndModify in a sharded environment, the query must contain the shard key for all operations against the shard cluster for the sharded collections.

update：這個(gè)命令有一個(gè)參數(shù)multi，默認(rèn)是false，即只能更新一個(gè)document，此時(shí)查詢部分必須包含sharding key

• All update() operations for a sharded collection that specify the multi: false option must include theshard key or the _id field in the query specification.

remove：有一個(gè)參數(shù)JustOne，如果為True，只能刪除一個(gè)document，也必須使用sharidng key

另外，熟悉sql的同學(xué)都知道，在數(shù)據(jù)中索引中有unique index(唯一索引)，即保證這個(gè)字段的值在table中是唯一的。mongoDB中，也可以建立unique index，但是在sharded cluster環(huán)境下，只能對(duì)sharding key創(chuàng)建unique index，道理也很簡單，如果unique index不是sharidng key，那么插入的時(shí)候就得去所有shard上查看，而且還得加鎖。

接下來，討論分片到shard上的數(shù)據(jù)不均的問題，如果一段時(shí)間內(nèi)shardkey過于集中(比如按時(shí)間增長)，那么數(shù)據(jù)只往一個(gè)shard寫入，導(dǎo)致無法平衡集群壓力。

MongoDB中提供了"range partition"和"hash partition"，這個(gè)跟上面提到的分片方式 hash方式， ranged based不是一回事兒，而是指對(duì)sharding key處理。MongoDB一定是ranged base分片方式,docuemnt中如是說：

• MongoDB partitions data in the collection using ranges of shard key values. Each range defines a non-overlapping range of shard key values and is associated with a chunk.

那么什么是"range partition"和"hash partition"，官網(wǎng)的一張圖很好說明了二者的區(qū)別： 

上圖左是range partition，右是hash partition。range partition就是使用字段本身作為分片的邊界，比如上圖的x;而hash partition會(huì)將字段重新hash到一個(gè)更大、更離散的值域區(qū)間。

hash partition的***好處在于保證數(shù)據(jù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上均勻分布(這里的均勻指的是在寫入的時(shí)候就均勻，而不是通過MongoDB的balancing功能)。比如MongoDB中默認(rèn)的_id是objectid，objectid是一個(gè)12個(gè)字節(jié)的BSON類型，前4個(gè)字節(jié)是機(jī)器的時(shí)間戳，那么如果在同一時(shí)間大量創(chuàng)建以O(shè)bjectId為_id的數(shù)據(jù) 會(huì)分配到同一個(gè)shard上，此時(shí)若將_id設(shè)置為hash index 和 hash sharding key，就不會(huì)有這個(gè)問題。

當(dāng)然，hash partition相比range partition也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是范圍查詢的時(shí)候效率低!因此到底選用hash partition還是range partition還得根據(jù)應(yīng)用場景來具體討論。

***得知道，sharding key一但選定，就無法修改(Immutable)。如果應(yīng)用必須要修改sharidng key，那么只能將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，新建數(shù)據(jù)庫并創(chuàng)建新的sharding key，***導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

元數(shù)據(jù)服務(wù)器

在上面討論的三種數(shù)據(jù)分片分式中，或多或少都會(huì)記錄一些元數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)的映射關(guān)系、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等等。我們稱記錄元數(shù)據(jù)的服務(wù)器為元數(shù)據(jù)服務(wù)器(metaserver)，不同的系統(tǒng)叫法不一樣，比如master、configserver、namenode等。

元數(shù)據(jù)服務(wù)器就像人類的大腦，一只手不能用了還沒忍受，大腦不工作整個(gè)人就癱瘓了。因此，元數(shù)據(jù)服務(wù)器的高性能、高可用，要達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，元數(shù)據(jù)服務(wù)器就得高可擴(kuò)展 -- 以此應(yīng)對(duì)元數(shù)據(jù)的增長。

元數(shù)據(jù)的高可用要求元數(shù)據(jù)服務(wù)器不能成為故障單點(diǎn)(single point of failure)，因此需要元數(shù)據(jù)服務(wù)器有多個(gè)備份，并且能夠在故障的時(shí)候迅速切換。

有多個(gè)備份，那么問題就來了，怎么保證多個(gè)備份的數(shù)據(jù)一致性?

多個(gè)副本的一致性、可用性是CAP理論討論的范疇，這里簡單介紹兩種方案。***種是主從同步，首先選出主服務(wù)器，只有主服務(wù)器提供對(duì)外服務(wù)，主服務(wù)器將元數(shù)據(jù)的變革信息以日志的方式持久化到共享存儲(chǔ)(例如nfs)，然后從服務(wù)器從共享存儲(chǔ)讀取日志并應(yīng)用，達(dá)到與主服務(wù)器一致的狀態(tài)，如果主服務(wù)器被檢測(cè)到故障(比如通過心跳)，那么會(huì)重新選出新的主服務(wù)器。第二種方式，通過分布式一致性協(xié)議來達(dá)到多個(gè)副本件的一致，比如大名鼎鼎的Paxos協(xié)議，以及工程中使用較多的Paxos的特化版本 -- Raft協(xié)議，協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)所有備份均可以提供對(duì)外服務(wù)，并且保證強(qiáng)一致性。

HDFS元數(shù)據(jù)

HDFS中，元數(shù)據(jù)服務(wù)器被稱之為namenode，在hdfs1.0之前，namenode還是單點(diǎn)，一旦namenode掛掉，整個(gè)系統(tǒng)就無法工作。在hdfs2.0，解決了namenode的單點(diǎn)問題。 

上圖中NN即NameNode， DN即DataNode(即實(shí)際存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn))。從圖中可以看到， 兩臺(tái) NameNode 形成互備，一臺(tái)處于 Active 狀態(tài)，為主 NameNode，另外一臺(tái)處于 Standby 狀態(tài)，為備 NameNode，只有主 NameNode 才能對(duì)外提供讀寫服務(wù)。

Active NN與standby NN之間的數(shù)據(jù)同步通過共享存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)，共享存儲(chǔ)系統(tǒng)保證了Namenode的高可用。為了保證元數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，在進(jìn)行準(zhǔn)備切換的時(shí)候，新的Active NN必須要在確認(rèn)元數(shù)據(jù)完全同步之后才能繼續(xù)對(duì)外提供服務(wù)。

另外，Namenode的狀態(tài)監(jiān)控以及準(zhǔn)備切換都是Zookeeper集群負(fù)責(zé)，在網(wǎng)絡(luò)分割(network partition)的情況下，有可能zookeeper認(rèn)為原來的Active NN掛掉了，選舉出新的ActiveNN，但實(shí)際上原來的Active NN還在繼續(xù)提供服務(wù)。這就導(dǎo)致了“雙主“或者腦裂(brain-split)現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，提出了fencing機(jī)制，也就是想辦法把舊的 Active NameNode 隔離起來，使它不能正常對(duì)外提供服務(wù)。具體參見這篇文章。

MongoDB元數(shù)據(jù)

MongoDB中，元數(shù)據(jù)服務(wù)器被稱為config server。在MongoDB3.2中，已經(jīng)不再建議使用三個(gè)鏡像(Mirrored)MongoDB實(shí)例作為config server，而是推薦使用復(fù)制集(replica set)作為config server，此舉的目的是增強(qiáng)config server的一致性，而且config sever中mongod的數(shù)目也能從3個(gè)達(dá)到replica set的上線(50個(gè)節(jié)點(diǎn))，從而提高了可靠性。

在MongoDB3.0及之前的版本中，元數(shù)據(jù)的讀寫按照下面的方式進(jìn)行：

• When writing to the three config servers, a coordinator dispatches the same write commands to the three config servers and collects the results. Differing results indicate an inconsistent writes to the config servers and may require manual intervention.

MongoDB的官方文檔并沒有詳細(xì)解釋這一過程，不過在stackexchange上，有人指出這個(gè)過程是兩階段提交。

MongoDB3.2及之后的版本，使用了replica set config server，在《CAP理論與MongoDB一致性、可用性的一些思考》文章中，詳細(xì)介紹了replica set的write concern、read concern和read references，這三個(gè)選項(xiàng)會(huì)影響到復(fù)制集的一致性、可靠性與讀取性能。在config server中，使用了WriteConcern：Majority;ReadConcern：Majority;ReadReferences：nearest。

元數(shù)據(jù)的緩存：

即使元數(shù)據(jù)服務(wù)器可以由一組物理機(jī)器組成，也保證了副本集之間的一致性問題。但是如果每次對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求都經(jīng)過元數(shù)據(jù)服務(wù)器的話，元數(shù)據(jù)服務(wù)器的壓力也是非常大的。很多應(yīng)用場景，元數(shù)據(jù)的變化并不是很頻繁，因此可以在訪問節(jié)點(diǎn)上做緩存，這樣應(yīng)用可以直接利用緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，減輕元數(shù)據(jù)服務(wù)器壓力。

在這個(gè)環(huán)境下，緩存的元數(shù)據(jù)必須與元數(shù)據(jù)服務(wù)器上的元數(shù)據(jù)一致，緩存的元數(shù)據(jù)必須是準(zhǔn)確的，未過時(shí)的。相反的例子是DNS之類的緩存，即使使用了過期的DNS緩存也不會(huì)有太大的問題。

怎么達(dá)到緩存的強(qiáng)一致性呢?比較容易想到的辦法是當(dāng)metadata變化的時(shí)候立即通知所有的緩存服務(wù)器(mongos)，但問題是通信有延時(shí)，不可靠。

解決不一致的問題，一個(gè)比較常見的思路是版本號(hào)，比如網(wǎng)絡(luò)通信，通信協(xié)議可能會(huì)發(fā)生變化，通信雙方為了達(dá)成一致，那么可以使用版本號(hào)。在緩存一致性的問題上，也可以使用版本號(hào)，基本思路是請(qǐng)求的時(shí)候帶上緩存的版本號(hào)，路由到具體節(jié)點(diǎn)之后比較實(shí)際數(shù)據(jù)的版本號(hào)，如果版本號(hào)不一致，那么表示緩存信息過舊，此時(shí)需要從元數(shù)據(jù)服務(wù)器重新拉取元數(shù)據(jù)并緩存。在MongoDB中，mongos緩存上就是使用的這種辦法。

另外一種解決辦法，就是大名鼎鼎的lease機(jī)制 -- “An Efficient Fault-Tolerant Mechanism for Distributed File Cache Consistency”，lease機(jī)制在分布式系統(tǒng)中使用非常廣泛，不僅僅用于分布式緩存，在很多需要達(dá)成某種約定的地方都大顯身手，在《分布式系統(tǒng)原理介紹》中，對(duì)lease機(jī)制有較為詳細(xì)的描述，下面對(duì)lease機(jī)制進(jìn)行簡單介紹。

Lease機(jī)制：

既然，Lease機(jī)制提出的時(shí)候是為了解決分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中緩存一致性的問題，那么首先來看看Lease機(jī)制是怎么保證緩存的強(qiáng)一致性的。注意，為了方便后文描述，在本小節(jié)中，我們稱元數(shù)據(jù)服務(wù)器為服務(wù)器，緩存服務(wù)器為客戶端。

要點(diǎn)：

• 服務(wù)器向所有客戶端發(fā)送緩存數(shù)據(jù)的同時(shí)，頒發(fā)一個(gè)lease，lease包含一個(gè)有限期(即過期時(shí)間)
• lease的含義是：在這個(gè)有效期內(nèi)，服務(wù)器保證元數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化
• 因此客戶端在這個(gè)有效期內(nèi)可以放心大膽的使用緩存的元數(shù)據(jù)，如果超過了有效期，就不能使用數(shù)據(jù)了，就得去服務(wù)器請(qǐng)求。
• 如果外部請(qǐng)求修改服務(wù)器上的元數(shù)據(jù)(元數(shù)據(jù)的修改一定在服務(wù)器上進(jìn)行)，那么服務(wù)器會(huì)阻塞修改請(qǐng)求，直到所有已頒發(fā)的lease過期，然后修改元數(shù)據(jù)，并將新的元數(shù)據(jù)和新的lease發(fā)送到客戶端
• 如果元數(shù)據(jù)沒有發(fā)生變化，那么服務(wù)器也需要在之前已頒發(fā)的lease到期之間，重新給客戶端頒發(fā)新的lease(只有l(wèi)ease，沒有數(shù)據(jù))

在Lease論文的標(biāo)題中，提到了“Fault-Tolerant”，那么lease是怎么做到容錯(cuò)的呢。關(guān)鍵在于，只要服務(wù)器一旦發(fā)出數(shù)據(jù)和lease，不關(guān)心客戶端是否收到數(shù)據(jù)，只要等待lease過期，就可以修改元數(shù)據(jù);另外，lease的有效期通過過期時(shí)間(一個(gè)時(shí)間戳)來標(biāo)識(shí)，因此即使從服務(wù)器到客戶端的消息延時(shí)到達(dá)、或者重復(fù)發(fā)送都是沒有關(guān)系的。

不難發(fā)現(xiàn)，容錯(cuò)的前提是服務(wù)器與客戶端的時(shí)間要一致。如果服務(wù)器的時(shí)間比客戶端的時(shí)間慢，那么客戶端收到lease之后很快就過期了，lease機(jī)制就發(fā)揮不了作用;如果服務(wù)器的時(shí)間比客戶端的時(shí)間快，那么就比較危險(xiǎn)，因?yàn)榭蛻舳藭?huì)在服務(wù)器已經(jīng)開始更新元數(shù)據(jù)的時(shí)候繼續(xù)使用緩存，工程中，通常將服務(wù)器的過期時(shí)間設(shè)置得比客戶端的略大，來解決這個(gè)問題。為了保持時(shí)間的一致，***的辦法是使用NTP(Network Time Protocol)來保證時(shí)鐘同步。

Lease機(jī)制的本質(zhì)是頒發(fā)者授予的在某一有效期內(nèi)的承諾，承諾的范圍是非常廣泛的：比如上面提到的cache;比如做權(quán)限控制，例如當(dāng)需要做并發(fā)控制時(shí)，同一時(shí)刻只給某一個(gè)節(jié)點(diǎn)頒發(fā)lease，只有持有l(wèi)ease的節(jié)點(diǎn)才可以修改數(shù)據(jù);比如身份驗(yàn)證，例如在primary-secondary架構(gòu)中，給節(jié)點(diǎn)頒發(fā)lease，只有持有l(wèi)ease的節(jié)點(diǎn)才具有primary身份;比如節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，例如在primary-secondary架構(gòu)中監(jiān)測(cè)primary是否正常，這個(gè)后文再詳細(xì)介紹。

工程中，lease機(jī)制也有大量的應(yīng)用：GFS中使用Lease確定Chuck的Primary副本, Lease由Master節(jié)點(diǎn)頒發(fā)給primary副本，持有Lease的副本成為primary副本。chubby通過paxos協(xié)議實(shí)現(xiàn)去中心化的選擇primary節(jié)點(diǎn)，然后Secondary節(jié)點(diǎn)向primary節(jié)點(diǎn)發(fā)送lease，該lease的含義是：“承諾在lease時(shí)間內(nèi)，不選舉其他節(jié)點(diǎn)成為primary節(jié)點(diǎn)”。chubby中，primary節(jié)點(diǎn)也會(huì)向每個(gè)client節(jié)點(diǎn)頒發(fā)lease。該lease的含義是用來判斷client的死活狀態(tài)，一個(gè)client節(jié)點(diǎn)只有只有合法的lease，才能與chubby中的primary進(jìn)行讀寫操作。

總結(jié)

本文主要介紹分布式系統(tǒng)中的分片相關(guān)問題，包括三種分布方式：hash、一致性hash、range based，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。分片都是按照一定的特征值來進(jìn)行，特征值應(yīng)該從應(yīng)用的使用場景來選取，并結(jié)合MongoDB展示了特征值(mongodb中的sharding key)對(duì)數(shù)據(jù)操作的影響。分片信息(即元數(shù)據(jù))需要專門的服務(wù)器存儲(chǔ)，元數(shù)據(jù)服務(wù)器是分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，因此需要提到其可用性和可靠性，為了減輕元數(shù)據(jù)服務(wù)器的壓力，分布式系統(tǒng)中，會(huì)在其他節(jié)點(diǎn)緩存元數(shù)據(jù)，緩存的元數(shù)據(jù)由帶來了一致性的挑戰(zhàn)，由此引入了Lease機(jī)制。

網(wǎng)站題目：帶著問題學(xué)習(xí)分布式系統(tǒng)之?dāng)?shù)據(jù)分片
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