Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

2024-04-02 19:55

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从Zeppelin：一个分布式KV存储平台之概述的介绍中我们知道元信息节点Meta以集群的形式向整个Zeppelin提供元信息的维护和提供服务。可以说Meta集群是Zeppelin的大脑，是所有元信息变化的发起者。每个Meta节点包含一个Floyd实例，从而也是Floyd的一个节点，Meta集群依赖Floyd提供一致性的内容读写。本文将从角色、线程模型、数据结构、选主与分布式锁、集群扩容缩容及成员变化几个方面详细介绍，最后总结在Meta节点的设计开发过程中带来的启发。

角色

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

从上图可以看出Meta集群的中心地位：

向Client及Node Server提供当前的元信息，包括分片副本信息，Meta集群成员信息等；
保持与Node Server的心跳检测，发现异常时进行切主；
接受并执行运维命令，完成相应的元信息变化，包括扩容、缩容、创建Table、删除Table等；

线程模型

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

相对于存储节点，元信息节点的线程模型比较简单：

处理请求的Dispatch线程和Worker线程；
修改Floyd的Update线程，Update线程是唯一的Floyd修改者。所有的元信息修改需求都会通过任务队列转交给Update线程。同时为了减轻Floyd的写入压力，这里采用了延时批量提交的方式；
Condition线程用来等待Offset条件，一些元信息修改操作如SetMaster，扩容及缩容，需要等到分片副本的主从Binlog Offset追齐时才能执行，Meta从与Node之间的心跳中得到Offset信息，Condition线程不断的检查主从的Offset差距，仅当追齐时通知Update线程完成对应修改；
Cron线程执行定时任务，包括检查和完成Meta主从切换、检查Node存活、Follower Meta加载当前元信息、执行数据迁移任务等。

数据结构

为了完成上述任务，Meta节点需要维护一套完整的数据，包括Node节点心跳信息、Node节点Offset信息、分片信息、Meta成员信息、扩容迁移信息等。由于一致性算法本身限制，我们需要尽量降低对Floyd的访问压力，因此并不是所有这些数据都需要直接维护在Floyd中。Zeppelin根据数据的重要程度、访问频率及是否可恢复进行划分，仅仅将低频访问且不易恢复的数据记录在Floyd中。

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

上图所示是Meta节点所维护数据的数据结构及存储方式，可以看出，除了一致性库Floyd中记录的数据外，Meta还会在内存中维护对应的数据结构，内存数据结构依赖Floyd中的数据，重新组织并提供更方便访问的接口。从所完成的任务来看，主要包括三个部分：

1，维护和提供集群元信息（Zeppelin Meta Info）

对应内存数据结构InfoStore，InfoStore依赖Floyd中的数据，包括：

当前元信息的版本号Epoch，每次元信息的变化都会对Epoch加一；
数据分片副本的分布及主从信息Tables；
存储节点地址及存活信息Nodes；
Meta集群自己的成员信息Members；

InfoStore重新组织这些数据，对外提供方便的查询和修改接口；除此之外InfoStore还会维护一些频繁修改但可以恢复的数据：

存储节点上次心跳时间：宕机后丢失，可以通过Floyd中的Nodes信息及恢复时的当前时间恢复，注意这里使用恢复时的当前时间相当于延长的存储节点的存活；
存储节点的分片Binlog偏移信息：Meta需要这些信息来决定副本的主从切换，宕机恢复后可以从Node的心跳中获得，这也就要求Node在重新建立心跳连接后的第一个包需要携带全量的Binlog偏移信息。

2，扩容缩容相关的迁移信息（Epend Shrink）

对应内存数据结构MigrateRegister，负责迁移过程的注册和提供，这部分内容将在稍后的集群扩容、缩容章节中详细介绍。

3，实现Meta集群高可用（Meta High Available）

Meta以集群的方式提供服务，Leader节点完成写操作，Follower分担读压力，节点之间依赖Floyd保证一致，从而实现Meta集群的高可用。内存数据结构Election负责节点异常时的选主，依赖Floyd提供的Lock接口及其中的Election相关数据。这部分内容将在稍后的选主与分布式锁章节中详细介绍。

选主与分布式锁

Meta集群中的节点分为Leader和Follower两种角色：

所有的写操作及心跳都会重定向到Leader，Leader将需要修改Floyd的请求封装为Task，加入等待队列，批量延时的写入Floyd，并更新本地的内存数据结构。
Follower定时检查Floyd中的元信息，如果变化则加载并修改本地内存数据结构，并对外提供元信息的查询操作。

因此我们需要一种机制来选主，并且每个Leader需要一个定长的租约时间，在租约时间内集群不会选择其他Meta节点作为新的Leader，相当于牺牲一定的可用性来优化读性能。选主问题是典型的分布式锁的应用，获得分布式锁的节点即为主。我们认为分布式锁是由三层相互独立的问题组成的，如下图左边所示，自下而上分别是一致性（Consistency），锁的实现（Lock）及锁的使用（Usage of Lock）。其中Consistency是为了高可用，Lock提供了互斥的加锁的机制，而Usage of Lock部分通常有两种实现：

严谨实现：加锁时返回Sequence，这个Sequence自增，获得锁的节点之后的所有操作的受体都必须检查这个Sequence以保证操作在锁的保护中；
简单实现：节点在尝试加锁时需要提供一个时间，锁服务保证这个时间内不将锁给其他节点。使用者需要自己保证所有的操作能在这个时间内完成。这个方法虽然不严谨但是非常简单易用，Zeppelin的Meta集群采用的正是这种方式。

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

如上图右边部分显示了这三部分在Meta中的对应关系：

Consistency我们依赖Floyd实现的Raft，同时Raft对外提供了细粒度的锁接口以及存储数据的Set、Get接口；
依赖Raft提供的接口，Meta实现了自己的粗粒度锁Coarse-Lock，简单的说，通过Set Get接口存储或查询当前Leader的地址信息及上次刷新时间；并通过Floyd的细粒度锁保护互斥的访问；Leader定时刷新自己的时间，Follower发现Leader超时后取而代之。Coarse-Lock层实现了Meta集群锁需要的Election。
利用Coarse-Lock，Meta实现了自己的高可用。Cron线程中不断触发当前节点检查并在需要的时候尝试选主。

这里需要说明的是，相对于Fine-Lock而言，Coarse-Lock加锁的时间更长，响应的锁的迁移也会带来更大的成本。比如主从链接的重新建立，任务队列的丢弃及清空，Meta工作线程的切换等。因此我们希望下层Lock抖动尽量不要影响上层的主从关系，针对这点Meta中设计了如下两种机制：

Meta主从关系与Floyd主从关系解耦，即使Floyd主从变化，依然有可能对上层Meta集群透明；
引入Jeopardy阶段，正常运行过程中，Meta会记录当前的Leader信息，当Floyd由于网络或节点异常无法服务时，Meta层会进入Jeopardy阶段中，Jeopardy使得Meta节点在一定的时间内依然保持主从关系不变。这个时间就是上面提到的为了读优化给Leader的Lease。之所以能够这么做，正是由于Zeppline的设计中尽量减少对Meta集群作为中心节点的依赖，从而可以接受Meta集群短时间的不可用。

集群扩容、缩容

Zeppelin作为存储集群，考虑到资源利用及业务变化，不可避免的需要进行集群的扩容、缩容或平衡操作。下图是简单的扩容操作示例，三个存储节点Node1，Node2，Node3，负责分片P1，P2，P3的九个主从副本。这时Node4加入，需要将P1的Master副本和P3的Slave副本迁移过去。

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

针对这类问题，主要有如下诉求：

持续时间可能很长，过程中无人工介入；
保证数据正确；
减少线上服务无感知；
不显著增大Meta负担，包括资源使用和代码复杂度；
Meta节点异常或网络异常后可从断点恢复；
容忍Node状态变化；
方便暂停、取消，可以获取状态及当前进度；
负载均衡；

子问题

为了很好的解决这个问题，我们先进行子问题的推导及切割：

扩容、缩容及平衡，其实都是将多个分片从源节点移动到目的节点；
迁移一个分片，可以拆分为增加新的Slave分片，等待数据同步，切换并删除原分片三个步骤。

方案

Zeppelin：一个分布式KV存储平台之元信息节点

上图所示是Zeppelin的扩容、缩容及平衡机制：

客户端命令行工具中将扩容（Expand），缩容（Shrink）及平衡（Balance）操作，通过Zeppelin的数据分布算法DPRD转化为初始状态（Init State）和一组DIFF集合，每一个DIFF项指定一个分片副本及其要迁移的源节点、目的节点；
Init State及DIFF集合传递给Meta Leader节点的Migrate Registor模块，检查Init State并将DIFF集合写入Floyd；
Cron线程定时获取一定量的DIFF项，顺序执行每个DIFF项；
生成添加新的从副本的UpdateTask1交给Update线程尽快执行，同时设置状态将该分片缓写或阻写；
生成ConditionTask交给Condition线程，ConditionTask中包括一个Offset条件和一个切换副本的UpdateTask2，这个Offset条件通常指源节点和目的节点偏移量一致；
Condition线程等待满足Offset条件后将对应的UpdateTask2交给Update线程尽快执行；
完成必要的状态改变后，将对应的DIFF项从Register中删除，并继续取出新的DIFF执行，直到全部完成。通过这种方式，任何时候Meta节点宕机，新Leader都可以从Floyd中获得DIFF并继续操作。

成员变化

通常Meta集群是一个3或5个节点的一致性集群，有时我们需要改变Meta集群的成员，增加、删除或替换。Meta集群的成员变化依赖下层的Floyd，Floyd提供每次一个节点变化的Membership Change方式，详细算法见CONSENSUS: BRIDGING THEORY AND PRACTICE。

Floyd的成员变化后，Meta集群对应修改自己的内存数据结构Membership，同时元信息Epoch加一，从而整个集群的Node及Client都能从新拉取的元信息中得知新的Membership。