【Tair】淘宝分布式NOSQL框架：Tair

Tair是淘宝的一个开源项目，它是一个分布式的key/value结构数据的解决方案。

一、基本组成

作为一个分布式系统，Tair由一个中心控制节点（config server）和一系列的服务节点（data server）组成，

1、config server

config server 负责管理所有的data server，并维护data server的状态信息；为了保证高可用（High Available），config server可通过hearbeat 以一主一备形式提供服务

client 和 config server的交互主要是为了获取数据分布的对照表，当client启动时获取到对照表后，会cache这张表，然后通过查这张表决定数据存储的节点，所以请求不需要和config server交互，这使得Tair对外的服务不依赖configserver，所以它不是传统意义上的中心节点，也并不会成为集群的瓶颈。

config server维护的对照表有一个版本号，每次新生成表，该版本号都会增加。当有data server状态发生变化（比如新增节点或者有节点不可用了）时，configserver会根据当前可用的节点重新生成对照表，并通过数据节点的心跳，将新表同步给data server。当client请求data server时，后者每次都会将自己的对照表的版本号放入response中返回给客client，client接收到response后，会将data server返回的版本号和自己的版本号比较，如果不相同，则主动和config server通信，请求新的对照表。

这使得在正常的情况下，client不需要和configserver通信，即使config server不可用了，也不会对整个集群的服务造成大的影响。有了config server，client不需要配置data server列表，也不需要处理节点的的状态变化，这使得Tair对最终用户来说使用和配置都很简单。

2、data server

data server 对外提供各种数据服务，并以心跳的形式将自身状况汇报给config server；所有的 data server 地位都是等价的。

二、存储引擎

tair 分为持久化和非持久化两种使用方式：

• 非持久化的 tair 可以看成是一个分布式缓存；
• 持久化的 tair 将数据存放于磁盘中，为了解决磁盘损坏导致数据丢失，tair 可以配置数据的备份数目。tair 自动将一份数据的不同备份放到不同的主机上，当有主机发生异常，无法正常提供服务的时候，其余的备份会继续提供服务。

三、分布式策略

1、tair 的分布采用的是一致性哈希算法

对于所有的key，分到Q个桶中，桶是负载均衡和数据迁移的基本单位。config server 根据一定的策略把每个桶指派到不同的data server上，因为数据按照key做hash算法，所以可以认为每个桶中的数据基本是平衡的，保证了桶分布的均衡性, 就保证了数据分布的均衡性。

具体说，首先计算Hash(key)，得到key所对应的bucket，然后再去config server查找该bucket对应的data server，再与相应的data server进行通信。也就是说，config server维护了一张由bucket映射到data server的对照表，比如：

bucket   data server
0    192.168.10.1
1    192.168.10.2
2    192.168.10.1
3    192.168.10.2
4    192.168.10.1
5    192.168.10.2

这里共6个bucket，由两台机器负责，每台机器负责3个bucket。客户端将key hash后，对6取模，找到负责的数据节点，然后和其直接通信。表的大小（行数）通常会远大于集群的节点数，这和consistent hash中的虚拟节点很相似。

假设我们加入了一台新的机器——192.168.10.3，Tair会自动调整对照表，将部分bucket交由新的节点负责，比如新的表很可能类似下表：

0    192.168.10.1
1    192.168.10.2
2    192.168.10.1
3    192.168.10.2
4    192.168.10.3
5    192.168.10.3

在老的表中，每个节点负责3个桶，当扩容后，每个节点将负责2个桶，数据被均衡的分布到所有节点上。

2、复制功能保证高可用

为了增强数据的安全性，Tair支持配置数据的备份数（COPY_COUNT）。比如你可以配置备份数为3，则每个bucket都会写在不同的3台机器上。当数据写入一个节点（通常我们称其为主节点）后，主节点会根据对照表自动将数据写入到其他备份节点，整个过程对用户是透明的。

如果有多个备份，那么对照表将包含多列，比如备份是为3，则表有4列，后面的3列都是数据存储的节点。

3、扩容和容灾的数据转移

当有新节点加入或者有节点不可用时，config server会根据当前可用的节点，重新build一张对照表。数据节点同步到新的对照表时，会自动将在新表中不由自己负责的数据迁移到新的目标节点。迁移完成后，客户端可以从config server同步到新的对照表，完成扩容或者容灾过程。整个过程对用户是透明的，服务不中断。

3.1、扩容

当系统增加data server的时候，config server根据负载，协调data server将他们控制的部分桶迁移到新的data server上，迁移完成后调整路由。

注意：

不管是发生故障还是扩容，每次路由的变更，config server都会将新的配置信息推给data server。在client访问data server的时候，会发送client缓存的路由表的版本号，如果data server发现client的版本号过旧，则会通知client去config server取一次新的路由表。如果client访问某台data server 发生了不可达的情况(该 data server可能宕机了)，客户端会主动去config server取新的路由表。

3.2、迁移

当发生迁移的时候，假设data server A 要把 桶 3,4,5 迁移给data server B。因为迁移完成前，client的路由表没有变化，因此对 3, 4, 5 的访问请求都会路由到A。现在假设 3还没迁移，4 正在迁移中，5已经迁移完成，那么：

• 如果是对3的访问，则没什么特别，跟以前一样；
• 如果是对5的访问，则A会把该请求转发给B，并且将B的返回结果返回给client；
• 如果是对4的访问，在A处理，同时如果是对4的修改操作，会记录修改log，桶4迁移完成的时候，还要把log发送到B，在B上应用这些log，最终A B上对于桶4来说，数据完全一致才是真正的迁移完成；

4、生成对照表的策略

1. 负载均衡优先，config server会尽量的把桶均匀的分布到各个data server上，所谓尽量是指在不违背下面的原则的条件下尽量负载均衡：每个桶必须有COPY_COUNT份数据； 一个桶的各份数据不能在同一台主机上；
2. 位置安全优先，一般我们通过控制 _pos_mask（Tair的一个配置项） 来使得不同的机房具有不同的位置信息，一个桶的各份数据不能都位于相同的一个位置（不在同一个机房）。

位置优先策略还有一个问题，假如只有两个机房，机房1中有100台data server，机房2中只有1台data server。这个时候，机房2中data server的压力必然会非常大，于是这里产生了一个控制参数 _build_diff_ratio（参见安装部署文档），当机房差异比率大于这个配置值时，config server也不再build新表，机房差异比率是如何计出来的呢？首先找到机器最多的机房，不妨设使RA，data server数量是SA，那么其余的data server的数量记做SB，则机房差异比率=|SA – SB|/SA，因为一般我们线上系统配置的COPY_COUNT=3，在这个情况下，不妨设只有两个机房RA和RB，那么两个机房什么样的data server数量是均衡的范围呢? 当差异比率小于 0.5的时候是可以做到各台data server负载都完全均衡的。这里有一点要注意，假设RA机房有机器6台，RB有机器3台，那么差异比率 = 6 – 3 / 6 = 0.5，这个时候如果进行扩容，在机房A增加一台data server，扩容后的差异比率 = 7 – 3 / 7 = 0.57，也就是说，只在机器数多的机房增加data server会扩大差异比率。如果我们的_build_diff_ratio配置值是0.5，那么进行这种扩容后，config server会拒绝再继续build新表。

四、version特性

Tair中的每个数据都包含版本号，版本号在每次更新后都会递增。这个特性可以帮助防止数据的并发更新导致的问题。

Version改变的逻辑如下：

1. 如果put新数据且没有设置版本号，会自动将版本设置成1；
2. 如果put是更新老数据且没有版本号，或者put传来的参数版本与当前版本一致，版本号自增1；
3. 如果put是更新老数据且传来的参数版本与当前版本不一致，更新失败，返回VersionError；
4. put时传入的version参数为0，则强制更新成功，版本号自增1。

version分布式锁
Tair中存在该key，则认为该key所代表的锁已被lock；不存在该key，在未加锁。操作过程和上面相似。业务方可以在put的时候增加expire，已避免该锁被长期锁住。
当然业务方在选择这种策略的情况下需要考虑并处理Tair宕机带来的锁丢失的情况。

五、plugin支持

Tair还内置了一个插件容器，可以支持热插拔插件。

插件由config server配置，config server会将插件配置同步给各个数据节点，数据节点会负责加载/卸载相应的插件。

插件分为request和response两类，可以分别在request和response时执行相应的操作，比如在put前检查用户的quota信息等。

插件容器也让Tair在功能方便具有更好的灵活性。