分布式存储研究——DynamoDB

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这篇博客，分享另一个云端巨头：Amazon的DynamoDB数据库的实现论文，“Dynamo: Amazon’s Highly Available Key-value Store”。这也是整个专题的第三篇。

Background

System Assumptions and Requirements

与GFS，Bigtable等一样，DynamoDB有一些适用的场景。文章做出以下假设，并根据这些假设进行系统的设计，会更有针对性：

  • Query Model：读写操作简单，且均基于主键。没有跨多行的操作，也不需要关系语义。存储对象通常在1MB以下。
  • ACID Properties：Dynamo提供的一致性较弱，不保障隔离性（isolation），且只执行单主键（单行）的更新。
  • Efficiency：系统需要满足高效率，需要在性能、成本效益、可用性和Durability保障之间进行权衡。
  • 数据库用于内部系统，不会被针对性攻击，不需要进行鉴权授权。
  • 数据库的目标是扩展到上百个数据节点。

Service Level Agreements (SLA)

在做数据库的性能评估时，亚马逊更倾向于使用99.9%的分布值来进行衡量，代替常用的平均值、中位数、方差期望等等。这和我们在做一些性能测试时很相像，TP999更能反应系统的一般情况，覆盖近乎所有人，而非大部分人的体验。

Design Considerations

CAP理论说明，在区间通信失败或一些网络失败时，数据一致性和高可用性无法同时保证。DynamoDB期望保障数据的最终一致性，牺牲了一定的一致性等级来维护服务高可用。此时就需要对一些修改冲突进行处理。很多传统数据库通常在写时进行冲突处理，保证读的逻辑简洁，这会导致一些无法写到所有分片的写操作失败。而DynamoDB希望能有一个始终可写的数据存储，不希望驳回用户的写请求。那么此时就会把一些冲突处理迁移到读的过程中去。

另一个设计理念，是确立由谁来解决写冲突。DynamoDB设计为可以由服务调用方来使用不同的规则处理修改冲突，也可以将这一职责下放到数据库，由数据库执行一些简单的策略，如“last write wins”。

Dynamo还应该被设计为可以持续扩展，即在原有集群上能水平扩展一个节点，同时不对原系统产生太多的影响。

Dynamo的所有节点职责应该是一致的，也就是没有“主节点”的概念，简化系统的运维工作。这称为“Symmetry”

比Symmentry更进一步，是Decentralization，去中心化，使用点对点而非中心控制的模式。

最后介绍的一个设计理念是“Heterogeneity”，异质性，系统应当有利用基础硬件异质性的能力，如在机器间根据其实际能力进行均衡负载。

异质性这部分更多的是我个人的理解，还需要在后续的阅读中明确是否一致。

Related Work

第一代P2P系统，称为非结构化P2P网络，如Freenet，Gnutella，常用于文件分享，会做分布式存储，但每个请求会尽可能请求所有节点来获取数据。第二代P2P系统，称为结构化网络，可以进行合理正确地路由，快速访问有所需要数据的节点。代表如Pastry和Chord。在此基础上，搭建了不少数据存储系统，如Oceanstore和PAST。

除了P2P系统，也有很多分布式文件存储系统，例如Bayou，Coda，Ficus，Farsite system以及之前研读过的GFS，Bigtable，还有FAB，Antiquity等等。

与所有列举的系统不一样地方：

  • Dynamo强调始终可写；
  • 系统被预期部署在一个所有节点可信任的环境中；
  • 使用Dynamo的应用不需要支持结构性的命名空间或是复杂的关系语义，只需要简单的key-value；
  • Dynamo针对时延敏感应用，需要保证TP999在几百毫秒的级别。

System Architecture

Dynamo针对关键功能所采用的策略见下表：

Dynamo技术

System Interface

系统提供简单的put和get接口来操作数据。get可以获取到一个数据，也可以是一组冲突的数据，交由应用来解决冲突。put则需要加上context信息，包含了一些版本信息等。系统通过对key进行128位的MD5 hash来决定存储数据的服务器。

Partitioning Algorithm

分区算法要求能够动态地将数据平衡分布到各个节点。Dynamo主要通过对key进行hash，值域得到一个环，然后分布到各个节点中去。每个数据会放在hash得到对应的节点，以及其后一个节点上。

这是最基本的哈希一致性算法，其问题是随机分配会导致数据和位置在环上不均匀，同时也忽略了节点性能的异质性。为此Dynamo做了hash算法的变种，每个实体节点会分配多个环中的虚拟节点。这样有几点好处：

  • 如果一个真实节点不可用，其负载会被剩余节点平分（想象每个数据有两个副本，真实节点1可能存储的是虚拟1、4、7节点，挂掉时会访问对应的2、5、8节点分布在三个不同的真实节点上）。
  • 当一个节点恢复可用，或加入到系统中时，各个其他可用节点可以分担数据迁移的压力。
  • 一个节点具体负责的虚拟节点数量可以根据其容量，性能动态调整，可以感受到硬件节点的异质性。

Replication

为了保障数据的高可用性，每条数据都会保留N个副本。当一个数据被分配到一个节点上时，这个节点还会负责将这份数据放到它的前N-1个虚拟节点上。

负责保存同一份数据的节点列表被称为一个“preference list”，为了保障节点故障时数据仍可用，preference list数量通常会多于N。另外，由于使用了虚拟节点的概念，几个虚拟节点可能处在同一个物理节点上，为了解决这一问题，preference list会在环中跳跃式分配，保证整个列表包含不同的物理节点。

此处的跳跃分配方式也不是很清楚。有待后续补充。

Data Versioning

Dynamo保障数据的最终一致性，也就意味着对同一份数据的多个副本传播修改可以是异步的，通常不需要等待所有分片都写完即可向用户返回结果。造成的问题之前也提到过，在一些特定的错误场景，如网络分区波动或服务器宕机等情况下，改动可能无法传递到所有分片。

在亚马逊平台中，有不少应用其实是可以容忍这种错误的，例如添加购物车场景，当用户添加时，请求不会被拒绝，如果此时最新版本的购物车数据不可达，那么就将数据保存在老一些版本的数据中，这两份不同版本的数据会在获取时进行融合。当然，此时会出现的另一个问题是，融合过程中被删除的item可能重新出现在列表中。这个过程要求设计的应用程序能感知并处理修改冲突。

Dynamo使用向量钟（vector clocks）来确定不同版本之间的先后关系。那么此时各个副本中不仅保留了各自的数据，还会保留该数据的多个版本。保留的版本数量有限（如10个），当感知到其他分片上的修改时，判断自己分片上的版本全部低于该修改的最新版本，那么自己分片的内容就会被覆盖。否则，则仍会保留多个版本，待读取时进行冲突解决。

Execution of get() and put() Operations

get和put操作有两种方式来找到对应需要操作的节点：

  • 将请求发送到一个通用的负载均衡器，由它来根据内容进行路由。这种方法应用不需要自己维护连接Dynamo的代码。
  • 使用一个可以感知分区的client库来将自己的请求路由到对应的节点。这种方法延迟更低，因为少了一层转发（见后续描述）。

通常接受get和put操作的是preference list中的第一个节点（如果是通过负载均衡的请求，可能会路由到list中任意一个节点，此时请求会再被转发到第一个节点）。写和读操作涉及N个节点，和很多仲裁系统（quorum system）一样，需要保证 R + W > N。R即读请求时需要收到的分片响应数量，相应的，W即写请求时需要收到的分片回复数量（包含本身处理请求的节点本地读写）。在这种模型中，请求的延迟取决于最慢的R个读或W个写节点。也因此，R和W可以取得尽可能小。

Handling Failures: Hinted Handoff

Dynamo实际上不需要系统保障所有的quorum节点可用。它使用一种“sloppy quorum”的策略。简单来说，一份数据储存在ABC三个节点中。当A节点宕机或不可达时，就临时储存在D节点中。D节点单独有一块区域存储这些本不属于自己的数据，并进行定时轮询。如果发现A节点可用，就将数据传输回去并删掉本地的副本。始终保持三个节点的数据副本。（注意此处选择D不是任意的，应该是在环中最近一个健康节点，这样才能保证故障时读写数据能找到该节点）。

与此同时，Amazon为了保障Dynamo的高可用性，还会将数据存储节点分布在多个数据中心中，数据中心间通过高速通道连接，避免自然灾害等导致一个数据中心同时宕机的风险。当然这样的部署对于小型机构来说是基本不可能的，仍需要依赖于Amazon平台的基础设施。

Handling Permanet Failures: Replica Synchronization

Dynamo使用Merkle tree来进行节点同步，以尽量减少同步时需要传输的数据。Merkle tree是一棵hash树，简单来说，每个节点就是一个单独key的value的hash值，而父节点又是其子节点的hash值。那么在比较两个节点是否不一致时，只需要比较最顶层节点，然后根据比较结果依次向下比较，直到同步所有的不一致叶子节点。而不需要将所有数据拿出来进行比较。每个物理节点会对其上每一个虚拟节点维护一棵单独的Merkle tree。

这个方案的缺点是当有节点加入或离开时，需要重新计算整棵树的hash值。该问题后续有解决方案。

仍然要弄清楚，Hinted Handoff和Replica Synchronization两者的适用场景有什么不同及联系：相较而言，Hinted Handoff适用于节点临时不可用的场景，节点还是会回到集群中来，这一过程几乎是透明的。而Replica Synchronization则适用于节点永久不可用，需要进行数据同步。

Membership and Failure Detection

  • Ring Membership：
    管理员可以通过控制台或浏览器去连接一个Dynamo节点，并发出添加或删除一个节点的指令。处理该指令的节点会将指令写入持久存储的节点改动历史中，一个基于Gossip的协议将改动传播到各个节点，并最终维持各个节点上信息一致：每个节点每秒都会选择一个随机节点，这两个节点之间协商永久存储的节点改动历史。通过协商，每个节点都能更新自己需要负责存储的区域数据。
  • External Discovery：
    在之前介绍的动态添加删除的节点过程中，可能出现逻辑分区，如A，B同时添加进环，它们都认为自己是环中的一员，但还不能立即感知到对方。此时会有一个由外部机制（静态文件定义，或者外部的配置服务）决定的种子节点，所有其他节点会和种子节点交流自己的membership，使得逻辑分区基本不可能出现。
  • Failure Detection：
    当节点A发现节点B不响应其请求时，就会认为节点B失效了，从而将请求发送到可选的其他节点中去，实施Hinted Handoff。同时A节点会不断轮询B，来查看其是否已经恢复。而去中心化的节点失效探查协议使用了简单的类似gossip的协议。这适用于节点的临时失效。而对于明确的节点增加和删除，则不在此协商范围内。

Adding/Removing Storage Nodes

当一个节点被加入到环中时，它就会被随机分配到一系列的token，表示它所承担的存储的key。此时有一批节点就不再需要储存这些key的信息，从而将这些数据传输到新增节点上来。而当节点退出系统时，会实施一个逆过程，将退出节点上的数据重新传输到新计算负责的节点上去。

Dyanmo的实际操作经验表明，这种方法将负载均匀地平摊到各个节点，从而降低延迟，提高效率。另外，通过在起始和目标节点之间加入一个确认回路，可以保证不会收到重复的数据传输。

Implementation

Dynamo中，每个存储节点都有三个关键的软件组成部分：

  • request coordination：使用状态机处理节点接收到的请求（存储N份数据节点的第一个节点进行请求处理），包括将请求发往数据存储的各个节点并收集响应等。系统还会对写请求做一些优化，例如通常写请求紧跟在读请求后，那么响应写请求的节点就协调为前一次读请求响应最快的节点。
  • membership and failure detection
  • local persistence engine：使用插件的方式，允许应用根据自己的数据量来选择本地持久化引擎，包括BDB Transactional Data Store，BDB Java Edition，MySQL，内存buffer。

Experiences & Lessons Learned

不同的应用会使用不同配置的Dynamo，最主要的差别在版本协调逻辑，和读写仲裁节点数量。有以下几个主要模式：

  • Business logic specific reconciliation：基于特定业务逻辑的版本协调逻辑，例如之前举例的购物车应用，需要按照业务来merge或使用其它处理方式处理不同版本的数据结果。
  • Timestamp based reconciliation：与前一点的主要区别在于版本协调逻辑，使用简单的时间戳比较，“last write wins”，后修改的生效。例如用户的session信息。
  • High performance read engine：一些特定场景下，读多写很少，为提高效率，修改R=1，W=N。例如权限管理缓存等。

Dynamo的N，R，W可以随意调节，通常N值设置为3。不少应用的(N,R,W)值设置为(3,2,2)。

Balancing Performance and Durability

Dynamo的TP999为300ms。由于硬件系统的I/O性能一般，以及服务性能取决于最差的那台机器，提供一致高性能的服务不是一件简单的工作。

在一次为期30天（2006年12月）的实验中，服务延迟出现了很明显的每日波动，每天白天请求多，延迟高，夜间请求少，延迟低。同时写请求的延时要高于读请求。TP999在200ms左右。这一结果已经符合预期，但一些系统对性能要求更高，那么就会牺牲一些持久性：在节点中开辟一个内存buffer，所有写请求操作buffer，并通过一个线程定时写到磁盘。读请求也先检查buffer中有没有，没有在读存储引擎。这种方法，即使内存空间很小（容纳一千个对象），也可以成功地将最大延迟从200ms降低到100ms以下。但缺点也显而易见：一旦机器宕机，就会丢失掉buffer中未处理的写请求。那此时的进一步优化就是在多个写的分片中，指定一个进行持久化的写，其它分片写到buffer，保证数据不丢失。同时因为写请求时只需要W个节点响应，W<N时也能享受buffer带来的性能提升。

Ensuring Uniform Load Distribution

Dynamo的负载均衡策略是在不断演进的，分为三个阶段：

Dynamo的分片和放置策略

  1. T random tokens per node and partition by node value：也就是之前介绍的策略。每个节点T个随机token。token是hash空间中的随机值，两个连续token定义了一个range，由于token是随机选取的，它们所代表的range大小可能不同。这个策略的根本问题是数据分片和分片放置的位置纠缠在了一起，具体表现为几个问题：
  • 当一个节点加入时，它需要从其它节点偷来它自己的key range。此时老节点就需要扫描自己的存储，取出合适的数据进行传递。这是比价影响性能的操作，为了保证用户体验，启动一个节点的时间就会变得很漫长（繁忙时需要一天）
  • 当节点加入/离开时，其它节点的key range就会改变，Merkle tree需要重新计算。
  • 这种策略下，key range的随机性导致无法轻松地对整个key space进行snapshot。
  1. T random tokens per node and equal sized partitions：这个策略将hash空间分为Q个大小相等的部分，每个节点被分配到T个随机的token。设置Q >> N且Q >> S*T（S是系统节点数量）。token只是用来创建value和hash空间的映射函数，不决定分割。一个分片被放置在一致性哈希环中遇到的前N个不同节点上。这一策略的好处是：
  • 解耦了数据分片和分片放置的位置。
  • 允许在运行时动态改变放置位置。
  1. Q/S tokens per node, equal-sized partitions：第三种策略同样解耦了分片和放置的位置。每个节点被分配到Q/S个token。当节点退出时，它的token被随机分布到剩余的节点。节点加入时，就从其它节点偷来自己的token。它有以下好处：
  • Faster bootstrapping/recovery：当partition range修复了之后，它们会被存在独立的文件中，一个分片的恢复只需要将对应的文件传输即可，避免了去定位特定的item。
  • Ease of archival：此时分片文件可以独立的进行归档。

Divergent Versions: When and How Many?

判断系统一致性错误的一个有效度量方式是观察应用获取到的，版本有分歧的数据数量。版本分歧通常有两种场景：一是系统中节点宕机，二是系统处理大规模的并发写。

在观察购物车应用的一次24h实验中，99.94%的请求只有1个version，0.00057%有2个version，0.00047%有3个，0.00009%有4个。（实验数据有些对不上100%？）。观察到的主要原因是并发写入，通常触发者是一些自动机器人而非人。

Client-driven or Server-driven Coordination

之前提到Dynamo的数据节点有一个coordination component通过状态机来处理请求。另一种可行的策略是将状态机移到Client端。client定期（经验值是10s）向Dynamo获取节点的membership状态，用这个来直接访问特定的节点。因为数据基本平均地分配在各个节点，也不需要做额外的负载均衡。实验中TP999的优化效果很明显。主要优化点是减少了不必要的负载均衡和随机分配节点后，节点再向数据对应节点发送请求的一跳。

Balancing Background vs. Foreground Tasks

一些后台操作的执行需要保证前台put/get请求的用户体验不受影响。因此Dynamo将所有的后台操作统一集成到一个控制机制中。该controller会去收集前台操作的一些性能指标，以此判断此时是否能将时间片分配给后台请求。

Conclusions

读这篇文章我最大的收获是两点：

  1. 技术上关于一致性哈希的了解，最突出的就是Dynamo数据分片和数据放置位置的策略演进。
  2. 对于理念上的更新：Dynamo将它的目标设置为不拒绝任何写请求，而在读请求时处理冲突，这是一种反向的思维，区别于我们平时希望数据写时尽可能一致，能够进行快速读取。这一点值得学习。

Six Questions

这个技术出现的背景、初衷和要达到什么样的目标或是要解决什么样的问题。

根据论文，DynamoDB需要处理的最直接的挑战是Amazon庞大电商系统的“always-on”体验。Amazon系统的底层是上万台服务器和海量的数据，其中硬件故障不可避免且时时发生。DynamoDB需要为用户营造出一个“永远在服务”的状态。

这个技术的优势和劣势分别是什么，或者说，这个技术的trade-off是什么。

既然说到“always on”，那么在分布式系统的CAP原理中，DynamoDB无疑更注重的是AP模型。当然也就缺乏了一致性C，需要通过一系列软件操作解决冲突，或者保证最终一致性。这是DynamoDB最主要的trade off。而在解决冲突时，DynamoDB将冲突解决放在了读一端，而非写一端。舍弃了更简洁的代码逻辑，增加了用户体验。

同时DynamoDB也是一个典型的NoSQL数据库，使用主键响应大部分需求。

此外DynamoDB的响应速度也做了非常多的优化，因为其出身是响应庞大且即时要求高的电商系统。为此它的成本一直是我们不使用它的一大阻碍。

这个技术使用的场景。

最典型的使用场景，当然也就是Amazon的主要场景：电商。其特点是：规模大，响应时间要求高，可用性要求高，但同时大部分的查询只需要基于Key就可以，没有复杂的关系查询。

技术的组成部分和关键点。

Dynamo实际上是一系列组成集群的，对等的存储节点。存储节点的关键组成部分有三个：

  1. request coodination：协调请求。
  2. membership and failure detection：维持集群，处理错误。
  3. local persistence engine：使用插件来根据需求选择本地持久化引擎。

技术的底层原理和关键实现。

System Architecture一章的表中已经罗列了各关键技术：

  1. 分区：一致性哈希（Consistent Hashing）
  2. 高可用的写：向量钟
  3. 处理临时错误：Sloppy Quorum以及hinted handoff。
  4. 错误恢复：Merkle trees
  5. 错误检查：基于Gossip的协议

已有的实现和它之间的对比。

可比较的系统包括P2P系统：Freenet，Gnutella等，第二代P2P网络：Pastry，Chord，另外还有分布式文件存储系统，包括Bayou，Coda，Ficus，Farsite system，GFS，Bigtable，FAB，Antiquity等。

DynamoDB与它们最主要的一些区别包括：

  1. 强调始终可写
  2. 内部系统，不强调安全性
  3. 使用key-value
  4. 针对时延敏感请求，TP999在300-500ms。