技術(shù)干貨總結(jié)：分布式系統(tǒng)常見(jiàn)同步機(jī)制

作者：IT技術(shù)分享 2019-08-22 14:30:21

開(kāi)發(fā)

前端

分布式 分布式系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)高可用，需要為數(shù)據(jù)保存多個(gè)副本，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何在不同副本間同步數(shù)據(jù)？不同的同步機(jī)制有不同的效果和代價(jià)，本文嘗試對(duì)常見(jiàn)分布式組件的同步機(jī)制做一個(gè)小結(jié)。

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分布式系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)高可用，需要為數(shù)據(jù)保存多個(gè)副本，隨之而來(lái)的問(wèn)題是如何在不同副本間同步數(shù)據(jù)?不同的同步機(jī)制有不同的效果和代價(jià)，本文嘗試對(duì)常見(jiàn)分布式組件的同步機(jī)制做一個(gè)小結(jié)。

常見(jiàn)機(jī)制

有一些常用的同步機(jī)制，對(duì)它們也有許多評(píng)價(jià)的維度，先看看大神的 經(jīng)典總結(jié) ：

上圖給出了常用的同步方式(個(gè)人理解，請(qǐng)批評(píng)指正)：

1. Backup，即定期備份，對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)的性能基本沒(méi)有影響，但節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時(shí)只能勉強(qiáng)恢復(fù)
2. Master-Slave，主從復(fù)制，異步復(fù)制每個(gè)指令，可以看作是粒度更細(xì)的定期備份
3. Multi-Muster，多主，也稱“主主”，MS 的加強(qiáng)版，可以在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上寫，事后再想辦法同步
4. 2 Phase-Commit，二階段提交，同步先確保通知到所有節(jié)點(diǎn)再寫入，性能容易卡在“主”節(jié)點(diǎn)上
5. Paxos，類似 2PC，同一時(shí)刻有多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以寫入，也只需要通知到大多數(shù)節(jié)點(diǎn)，有更高的吞吐

同步方式分兩類，異步的性能好但可能有數(shù)據(jù)丟失，同步的能保證不丟數(shù)據(jù)但性能較差。同種方式的算法也能有所提升(如 Paxos 對(duì)于 2PC)，但實(shí)現(xiàn)的難度又很高。實(shí)現(xiàn)上只能在這幾點(diǎn)上進(jìn)行權(quán)衡。

考慮同步算法時(shí)，需要考慮節(jié)點(diǎn)宕機(jī)、網(wǎng)絡(luò)阻斷等故障情形。下面，我們來(lái)看看一些分布式組件的數(shù)據(jù)同步機(jī)制，主要考慮數(shù)據(jù)寫入請(qǐng)求如何被處理，期間可能會(huì)涉及如何讀數(shù)據(jù)。

Redis

Redis 3.0 開(kāi)始引入 Redis Cluster 支持集群模式，個(gè)人認(rèn)為它的設(shè)計(jì)很漂亮，大家可以看看 官方文檔 。

• 采用的是主從復(fù)制，異步同步消息，極端情況會(huì)丟數(shù)據(jù)
• 只能從主節(jié)點(diǎn)讀寫數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)只會(huì)拒絕并讓客戶端重定向，不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求
• 如果主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)一段時(shí)間，從節(jié)點(diǎn)中會(huì)自動(dòng)選主
• 如果期間有數(shù)據(jù)不一致，以最新選出的主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

  
 
 
 

   
  
  
  
HASH_SLOT = CRC16(Key) mod 16384 
   
  
  
  
MEET 
   
  
  
  
WAIT 
  
 
 
 

Kafka

Kafka 的分片粒度是 Partition，每個(gè) Partition 可以有多個(gè)副本。副本同步設(shè)計(jì)參考 官方文檔

• 類似于 2PC，節(jié)點(diǎn)分主從，同步更新消息，除非節(jié)點(diǎn)全掛，否則不會(huì)丟消息
• 消息發(fā)到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)寫入后等待“所有”從節(jié)點(diǎn)拉取該消息，之后通知客戶端寫入完成
• “所有”節(jié)點(diǎn)指的是 In-Sync Replica(ISR)，響應(yīng)太慢或宕機(jī)的從節(jié)點(diǎn)會(huì)被踢除
• 主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)后，從節(jié)點(diǎn)選舉成為新的主節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)提供服務(wù)
• 主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時(shí)正在提交的修改沒(méi)有做保證(消息可能沒(méi)有 ACK 卻提交了)

一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

• 當(dāng)前消費(fèi)者只能從主節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，未來(lái)可能會(huì)改變
• 主從的粒度是 partition，每個(gè) broker 對(duì)于某些 Partition 而言是主節(jié)點(diǎn)，對(duì)于另一些而言是從節(jié)點(diǎn)
• Partition 創(chuàng)建時(shí)，Kafka 會(huì)盡量讓 preferred replica 均勻分布在各個(gè) broker
• 選主由一個(gè) controller 跟 zookeeper 交互后“內(nèi)定”，再通過(guò) RPC 通知具體的主節(jié)點(diǎn) ，此舉能防止 partition 過(guò)多，同時(shí)選主導(dǎo)致 zk 過(guò)載。

 

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ElasticSearch

ElasticSearch 對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求和 Kafka 很類似，設(shè)計(jì)也很類似，詳細(xì)可見(jiàn) 官方文檔 。

ES 中有 master node 的概念，它實(shí)際的作用是對(duì)集群狀態(tài)進(jìn)行管理，跟數(shù)據(jù)的請(qǐng)求無(wú)關(guān)。為了上下文一致性，我們稱它為管理節(jié)點(diǎn)，而稱 primary shard 為“主節(jié)點(diǎn)”， 稱 replica shard 為從節(jié)點(diǎn)。ES 的設(shè)計(jì)：

• 類似于 2PC，節(jié)點(diǎn)分主從，同步更新消息，除非節(jié)點(diǎn)全掛，否則不會(huì)丟消息
• 消息發(fā)到主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)寫入成功后并行發(fā)給從節(jié)點(diǎn)，等到從節(jié)點(diǎn)全部寫入成功，通知客戶端寫入完成
• 管理節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)每個(gè)分片需要寫入的從節(jié)點(diǎn)列表，稱為 in-sync copies
• 主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)后，從節(jié)點(diǎn)選舉成為新的主節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)提供服務(wù)
• 提交階段從節(jié)點(diǎn)不可用的話，主節(jié)點(diǎn)會(huì)要求管理節(jié)點(diǎn)將從節(jié)點(diǎn)從 in-sync copies 中移除

一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：

• 寫入只能通過(guò)只主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，讀取可以從任意從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行
• 每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可提供服務(wù)，它們會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求到數(shù)據(jù)分片所在的節(jié)點(diǎn)，但建議循環(huán)訪問(wèn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)以平衡負(fù)載
• 數(shù)據(jù)做分片： shard = hash(routing) % number_of_primary_shards
• primary shard 的數(shù)量是需要在創(chuàng)建 index 的時(shí)候就確定好的
• 主從的粒度是 shard，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于某些 shard 而言是主節(jié)點(diǎn)，對(duì)于另一些而言是從節(jié)點(diǎn)
• 選主算法使用了 ES 自己的 Zen Discovery

Hadoop

Hadoop 使用的是鏈?zhǔn)綇?fù)制，參考 Replication Pipelining

• 數(shù)據(jù)的多個(gè)復(fù)本寫入多個(gè) datanode，只要有一個(gè)存活數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失
• 數(shù)據(jù)拆分成多個(gè) block，每個(gè) block 由 namenode 決定數(shù)據(jù)寫入哪幾個(gè) datanode
• 鏈?zhǔn)綇?fù)制要求數(shù)據(jù)發(fā)往一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)發(fā)往下一節(jié)點(diǎn)，待下個(gè)節(jié)點(diǎn)返回及本地寫入成 功后返回，以此類推形成一條寫入鏈。
• 寫入過(guò)程中的宕機(jī)節(jié)點(diǎn)會(huì)被移除 pineline，不一致的數(shù)據(jù)之后由 namenode 處理。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：

• 實(shí)現(xiàn)中優(yōu)化了鏈?zhǔn)綇?fù)制：block 拆分成多個(gè) packet，節(jié)點(diǎn) 1 收到 packet, 寫入本地 的同時(shí)發(fā)往節(jié)點(diǎn) 2，等待節(jié)點(diǎn) 2 完成及本地完成后返回 ACK。節(jié)點(diǎn) 2 以此類推將 packet 寫入本地及發(fā)往節(jié)點(diǎn) 3……

TiKV

TiKV 使用的是 Raft 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入數(shù)據(jù)時(shí)的一致性。參考 三篇文章了解 TiDB 技術(shù)內(nèi)幕——說(shuō)存儲(chǔ)

• 使用 Raft，寫入時(shí)需要半數(shù)以上的節(jié)點(diǎn)寫入成功才返回，宕機(jī)節(jié)點(diǎn)不超過(guò)半數(shù)則數(shù)據(jù)不丟失。
• TiKV 將數(shù)據(jù)的 key 按 range 分成 region，寫入時(shí)以 region 為粒度進(jìn)行同步。
• 寫入和讀取都通過(guò) leader 進(jìn)行。每個(gè) region 形成自己的 raft group，有自己的 leader。

Zookeeper

Zookeeper 使用的是 Zookeeper 自己的 Zab 算法(Paxos 的變種?)，參考 Zookeeper Internals

• 數(shù)據(jù)只可以通過(guò)主節(jié)點(diǎn)寫入(請(qǐng)求會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行)，可以通過(guò)任意節(jié)點(diǎn)讀取
• 主節(jié)點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)后會(huì)廣播給所有節(jié)點(diǎn)，超過(guò)半數(shù)節(jié)點(diǎn)寫入后返回客戶端
• Zookeeper 不保證數(shù)據(jù)讀取為最新，但通過(guò)“單一視圖”保證讀取的數(shù)據(jù)版本不“回退”

小結(jié)

如果系統(tǒng)對(duì)性能要求高以至于能容忍數(shù)據(jù)的丟失(Redis)，則顯然異步的同步方式是一種好的選擇。

而當(dāng)系統(tǒng)要保證不丟數(shù)據(jù)，則幾乎只能使用同步復(fù)制的機(jī)制，看到 Kafka 和 Elasticsearch 不約而同地使用了 PacificA 算法(個(gè)人認(rèn)為可以看成是 2PC 的變種)，當(dāng)然這種方法的響應(yīng)制約于最慢的副本，因此 Kafka 和 Elasticsearch 都有相關(guān)的機(jī)制將慢的副本移除。

當(dāng)然看起來(lái) Paxos, Raft, Zab 等新的算法比起 2PC 還是要好的：一致性保證更強(qiáng)，只要半數(shù)節(jié)點(diǎn)寫入成功就可以返回，Paxos 還支持多點(diǎn)寫入。只不過(guò)這些算法也很難正確實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化。

文章題目：技術(shù)干貨總結(jié)：分布式系統(tǒng)常見(jiàn)同步機(jī)制
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