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标题: 【上海校区】一致性Hash在负载均衡中的炫技 [打印本页]

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作者: 不二晨    时间: 2018-9-7 09:44
标题: 【上海校区】一致性Hash在负载均衡中的炫技
简介一致性Hash是一种特殊的Hash算法，由于其均衡性、持久性的映射特点，被广泛的应用于负载均衡领域，如nginx和memcached都采用了一致性Hash来作为集群负载均衡的方案。
本文将介绍一致性Hash的基本思路，并讨论其在分布式缓存集群负载均衡中的应用。同时也会进行相应的代码测试来验证其算法特性，并给出和其他负载均衡方案的一些对比。
一致性Hash算法简介在了解一致性Hash算法之前，先来讨论一下Hash本身的特点。普通的Hash函数最大的作用是散列，或者说是将一系列在形式上具有相似性质的数据，打散成随机的、均匀分布的数据。
比如，对字符串abc和abcd分别进行md5计算，得到的结果如下：


可以看到，两个在形式上非常相近的数据经过md5散列后，变成了完全随机的字符串。负载均衡正是利用这一特性，对于大量随机的请求或调用，通过一定形式的Hash将他们均匀的散列，从而实现压力的平均化。（当然，并不是只要使用了Hash就一定能够获得均匀的散列，后面会分析这一点。）
举个例子，如果我们给每个请求生成一个Key，只要使用一个非常简单的Hash算法Group = Key % N来实现请求的负载均衡，如下：


（如果将Key作为缓存的Key，对应的Group储存该Key的Value，就可以实现一个分布式的缓存系统，后文的具体例子都将基于这个场景）
不难发现，这样的Hash只要集群的数量N发生变化，之前的所有Hash映射就会全部失效。如果集群中的每个机器提供的服务没有差别，倒不会产生什么影响，但对于分布式缓存这样的系统而言，映射全部失效就意味着之前的缓存全部失效，后果将会是灾难性的。
一致性Hash通过构建环状的Hash空间代替线性Hash空间的方法解决了这个问题，如下图：


整个Hash空间被构建成一个首尾相接的环，使用一致性Hash时需要进行两次映射。
第一次，给每个节点（集群）计算Hash，然后记录它们的Hash值，这就是它们在环上的位置。
第二次，给每个Key计算Hash，然后沿着顺时针的方向找到环上的第一个节点，就是该Key储存对应的集群。
分析一下节点增加和删除时对负载均衡的影响，如下图：


可以看到，当节点被删除时，其余节点在环上的映射不会发生改变，只是原来打在对应节点上的Key现在会转移到顺时针方向的下一个节点上去。增加一个节点也是同样的，最终都只有少部分的Key发生了失效。不过发生节点变动后，整体系统的压力已经不是均衡的了，下文中提到的方法将会解决这个问题。
问题与优化最基本的一致性Hash算法直接应用于负载均衡系统，效果仍然是不理想的，存在诸多问题，下面就对这些问题进行逐个分析并寻求更好的解决方案。
数据倾斜如果节点的数量很少，而hash环空间很大（一般是 0 ~ 2^32），直接进行一致性hash上去，大部分情况下节点在环上的位置会很不均匀，挤在某个很小的区域。最终对分布式缓存造成的影响就是，集群的每个实例上储存的缓存数据量不一致，会发生严重的数据倾斜。
缓存雪崩如果每个节点在环上只有一个节点，那么可以想象，当某一集群从环中消失时，它原本所负责的任务将全部交由顺时针方向的下一个集群处理。例如，当group0退出时，它原本所负责的缓存将全部交给group1处理。这就意味着group1的访问压力会瞬间增大。设想一下，如果group1因为压力过大而崩溃，那么更大的压力又会向group2压过去，最终服务压力就像滚雪球一样越滚越大，最终导致雪崩。
引入虚拟节点解决上述两个问题最好的办法就是扩展整个环上的节点数量，因此我们引入了虚拟节点的概念。一个实际节点将会映射多个虚拟节点，这样Hash环上的空间分割就会变得均匀。
同时，引入虚拟节点还会使得节点在Hash环上的顺序随机化，这意味着当一个真实节点失效退出后，它原来所承载的压力将会均匀地分散到其他节点上去。
如下图：


代码测试现在我们尝试编写一些测试代码，来看看一致性hash的实际效果是否符合我们预期。
首先我们需要一个能够对输入进行均匀散列的Hash算法，可供选择的有很多，memcached官方使用了基于md5的KETAMA算法，但这里处于计算效率的考虑，使用了FNV1_32_HASH算法，如下：
public class HashUtil {    /**     * 计算Hash值, 使用FNV1_32_HASH算法     * @param str     * @return     */    public static int getHash(String str) {        final int p = 16777619;        int hash = (int)2166136261L;        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {            hash =( hash ^ str.charAt(i) ) * p;        }        hash += hash << 13;        hash ^= hash >> 7;        hash += hash << 3;        hash ^= hash >> 17;        hash += hash << 5;        if (hash < 0) {            hash = Math.abs(hash);        }        return hash;    }}复制代码实际使用时可以根据需求调整。
接着需要使用一种数据结构来保存hash环，可以采用的方案有很多种，最简单的是采用数组或链表。但这样查找的时候需要进行排序，如果节点数量多，速度就可能变得很慢。
针对集群负载均衡状态读多写少的状态，很容易联想到使用二叉平衡树的结构去储存，实际上可以使用TreeMap（内部实现是红黑树）来作为Hash环的储存结构。
先编写一个最简单的，无虚拟节点的Hash环测试：
public class ConsistentHashingWithoutVirtualNode {    /**     * 集群地址列表     */    private static String[] groups = {        "192.168.0.0:111", "192.168.0.1:111", "192.168.0.2:111",        "192.168.0.3:111", "192.168.0.4:111"    };    /**     * 用于保存Hash环上的节点     */    private static SortedMap<Integer, String> sortedMap = new TreeMap<>();    /**     * 初始化，将所有的服务器加入Hash环中     */    static {        // 使用红黑树实现，插入效率比较差，但是查找效率极高        for (String group : groups) {            int hash = HashUtil.getHash(group);            System.out.println("[" + group + "] launched @ " + hash);            sortedMap.put(hash, group);        }    }    /**     * 计算对应的widget加载在哪个group上     *     * @param widgetKey     * @return     */    private static String getServer(String widgetKey) {        int hash = HashUtil.getHash(widgetKey);        // 只取出所有大于该hash值的部分而不必遍历整个Tree        SortedMap<Integer, String> subMap = sortedMap.tailMap(hash);        if (subMap == null || subMap.isEmpty()) {            // hash值在最尾部，应该映射到第一个group上            return sortedMap.get(sortedMap.firstKey());        }        return subMap.get(subMap.firstKey());    }    public static void main(String[] args) {        // 生成随机数进行测试        Map<String, Integer> resMap = new HashMap<>();        for (int i = 0; i < 100000; i++) {            Integer widgetId = (int)(Math.random() * 10000);            String server = getServer(widgetId.toString());            if (resMap.containsKey(server)) {                resMap.put(server, resMap.get(server) + 1);            } else {                resMap.put(server, 1);            }        }        resMap.forEach(            (k, v) -> {                System.out.println("group " + k + ": " + v + "(" + v/1000.0D +"%)");            }        );    }}复制代码生成10000个随机数字进行测试，最终得到的压力分布情况如下：
[192.168.0.1:111] launched @ 8518713[192.168.0.2:111] launched @ 1361847097[192.168.0.3:111] launched @ 1171828661[192.168.0.4:111] launched @ 1764547046group 192.168.0.2:111: 8572(8.572%)group 192.168.0.1:111: 18693(18.693%)group 192.168.0.4:111: 17764(17.764%)group 192.168.0.3:111: 27870(27.87%)group 192.168.0.0:111: 27101(27.101%)复制代码可以看到压力还是比较不平均的，所以我们继续，引入虚拟节点：
public class ConsistentHashingWithVirtualNode {    /**     * 集群地址列表     */    private static String[] groups = {        "192.168.0.0:111", "192.168.0.1:111", "192.168.0.2:111",        "192.168.0.3:111", "192.168.0.4:111"    };    /**     * 真实集群列表     */    private static List<String> realGroups = new LinkedList<>();    /**     * 虚拟节点映射关系     */    private static SortedMap<Integer, String> virtualNodes = new TreeMap<>();    private static final int VIRTUAL_NODE_NUM = 1000;    static {        // 先添加真实节点列表        realGroups.addAll(Arrays.asList(groups));        // 将虚拟节点映射到Hash环上        for (String realGroup: realGroups) {            for (int i = 0; i < VIRTUAL_NODE_NUM; i++) {                String virtualNodeName = getVirtualNodeName(realGroup, i);                int hash = HashUtil.getHash(virtualNodeName);                System.out.println("[" + virtualNodeName + "] launched @ " + hash);                virtualNodes.put(hash, virtualNodeName);            }        }    }    private static String getVirtualNodeName(String realName, int num) {        return realName + "&&VN" + String.valueOf(num);    }    private static String getRealNodeName(String virtualName) {        return virtualName.split("&&")[0];    }    private static String getServer(String widgetKey) {        int hash = HashUtil.getHash(widgetKey);        // 只取出所有大于该hash值的部分而不必遍历整个Tree        SortedMap<Integer, String> subMap = virtualNodes.tailMap(hash);        String virtualNodeName;        if (subMap == null || subMap.isEmpty()) {            // hash值在最尾部，应该映射到第一个group上            virtualNodeName = virtualNodes.get(virtualNodes.firstKey());        }else {            virtualNodeName = subMap.get(subMap.firstKey());        }        return getRealNodeName(virtualNodeName);    }    public static void main(String[] args) {        // 生成随机数进行测试        Map<String, Integer> resMap = new HashMap<>();        for (int i = 0; i < 100000; i++) {            Integer widgetId = i;            String group = getServer(widgetId.toString());            if (resMap.containsKey(group)) {                resMap.put(group, resMap.get(group) + 1);            } else {                resMap.put(group, 1);            }        }        resMap.forEach(            (k, v) -> {                System.out.println("group " + k + ": " + v + "(" + v/100000.0D +"%)");            }        );    }}复制代码这里真实节点和虚拟节点的映射采用了字符串拼接的方式，这种方式虽然简单但很有效，memcached官方也是这么实现的。将虚拟节点的数量设置为1000，重新测试压力分布情况，结果如下：
group 192.168.0.2:111: 18354(18.354%)group 192.168.0.1:111: 20062(20.062%)group 192.168.0.4:111: 20749(20.749%)group 192.168.0.3:111: 20116(20.116%)group 192.168.0.0:111: 20719(20.719%)复制代码可以看到基本已经达到平均分布了，接着继续测试删除和增加节点给整个服务带来的影响，相关测试代码如下：
private static void refreshHashCircle() {    // 当集群变动时，刷新hash环，其余的集群在hash环上的位置不会发生变动        virtualNodes.clear();    for (String realGroup: realGroups) {            for (int i = 0; i < VIRTUAL_NODE_NUM; i++) {                       String virtualNodeName = getVirtualNodeName(realGroup, i);            int hash = HashUtil.getHash(virtualNodeName);            System.out.println("[" + virtualNodeName + "] launched @ " + hash);            virtualNodes.put(hash, virtualNodeName);        }    }}private static void addGroup(String identifier) {        realGroups.add(identifier);    refreshHashCircle();}private static void removeGroup(String identifier) {    int i = 0;    for (String group:realGroups) {            if (group.equals(identifier)) {                realGroups.remove(i);        }        i++;    }    refreshHashCircle();}复制代码测试删除一个集群前后的压力分布如下：
running the normal test.group 192.168.0.2:111: 19144(19.144%)group 192.168.0.1:111: 20244(20.244%)group 192.168.0.4:111: 20923(20.923%)group 192.168.0.3:111: 19811(19.811%)group 192.168.0.0:111: 19878(19.878%)removed a group, run test again.group 192.168.0.2:111: 23409(23.409%)group 192.168.0.1:111: 25628(25.628%)group 192.168.0.4:111: 25583(25.583%)group 192.168.0.0:111: 25380(25.38%)复制代码同时计算一下消失的集群上的Key最终如何转移到其他集群上：
[192.168.0.1:111-192.168.0.4:111] :5255[192.168.0.1:111-192.168.0.3:111] :5090[192.168.0.1:111-192.168.0.2:111] :5069[192.168.0.1:111-192.168.0.0:111] :4938复制代码可见，删除集群后，该集群上的压力均匀地分散给了其他集群，最终整个集群仍处于负载均衡状态，符合我们的预期，最后看一下添加集群的情况。
压力分布：
running the normal test.group 192.168.0.2:111: 18890(18.89%)group 192.168.0.1:111: 20293(20.293%)group 192.168.0.4:111: 21000(21.0%)group 192.168.0.3:111: 19816(19.816%)group 192.168.0.0:111: 20001(20.001%)add a group, run test again.group 192.168.0.2:111: 15524(15.524%)group 192.168.0.7:111: 16928(16.928%)group 192.168.0.1:111: 16888(16.888%)group 192.168.0.4:111: 16965(16.965%)group 192.168.0.3:111: 16768(16.768%)group 192.168.0.0:111: 16927(16.927%)复制代码压力转移：
[192.168.0.0:111-192.168.0.7:111] :3102[192.168.0.4:111-192.168.0.7:111] :4060[192.168.0.2:111-192.168.0.7:111] :3313[192.168.0.1:111-192.168.0.7:111] :3292[192.168.0.3:111-192.168.0.7:111] :3261复制代码综上可以得出结论，在引入足够多的虚拟节点后，一致性hash还是能够比较完美地满足负载均衡需要的。
优雅缩扩容缓存服务器对于性能有着较高的要求，因此我们希望在扩容时新的集群能够较快的填充好数据并工作。但是从一个集群启动，到真正加入并可以提供服务之间还存在着不小的时间延迟，要实现更优雅的扩容，我们可以从两个方面出发：

• 高频Key预热
  负载均衡器作为路由层，是可以收集并统计每个缓存Key的访问频率的，如果能够维护一份高频访问Key的列表，新的集群在启动时根据这个列表提前拉取对应Key的缓存值进行预热，便可以大大减少因为新增集群而导致的Key失效。
  具体的设计可以通过缓存来实现，如下：
  
  
  不过这个方案在实际使用时有一个很大的限制，那就是高频Key本身的缓存失效时间可能很短，预热时储存的Value在实际被访问到时可能已经被更新或者失效，处理不当会导致出现脏数据，因此实现难度还是有一些大的。
  
• 历史Hash环保留
  回顾一致性Hash的扩容，不难发现新增节点后，它所对应的Key在原来的节点还会保留一段时间。因此在扩容的延迟时间段，如果对应的Key缓存在新节点上还没有被加载，可以去原有的节点上尝试读取。
  举例，假设我们原有3个集群，现在要扩展到6个集群，这就意味着原有50%的Key都会失效（被转移到新节点上），如果我们维护扩容前和扩容后的两个Hash环，在扩容后的Hash环上找不到Key的储存时，先转向扩容前的Hash环寻找一波，如果能够找到就返回对应的值并将该缓存写入新的节点上，找不到时再透过缓存，如下图：
  
  
  这样做的缺点是增加了缓存读取的时间，但相比于直接击穿缓存而言还是要好很多的。优点则是可以随意扩容多台机器，而不会产生大面积的缓存失效。
  
  

谈完了扩容，再谈谈缩容。

• 熔断机制
  缩容后，剩余各个节点上的访问压力都会有所增加，此时如果某个节点因为压力过大而宕机，就可能会引发连锁反应。因此作为兜底方案，应当给每个集群设立对应熔断机制来保护服务的稳定性。
  
• 多集群LB的更新延迟
  这个问题在缩容时比较严重，如果你使用一个集群来作为负载均衡，并使用一个配置服务器比如ConfigServer来推送集群状态以构建Hash环，那么在某个集群退出时这个状态并不一定会被立刻同步到所有的LB上，这就可能会导致一个暂时的调度不一致，如下图：
  
  
  如果某台LB错误地将请求打到了已经退出的集群上，就会导致缓存击穿。解决这个问题主要有以下几种思路：
  
  
  • 缓慢缩容，等到Hash环完全同步后再操作。可以通过监听退出集群的访问QPS来实现这一点，等到该集群几乎没有QPS时再将其撤下。
  • 手动删除，如果Hash环上对应的节点找不到了，就手动将其从Hash环上删除，然后重新进行调度，这个方式有一定的风险，对于网络抖动等异常情况兼容的不是很好。
  • 主动拉取和重试，当Hash环上节点失效时，主动从ZK上重新拉取集群状态来构建新Hash环，在一定次数内可以进行多次重试。
    

对比：HashSlot了解了一致性Hash算法的特点后，我们也不难发现一些不尽人意的地方：

• 整个分布式缓存需要一个路由服务来做负载均衡，存在单点问题（如果路由服务挂了，整个缓存也就凉了）
• Hash环上的节点非常多或者更新频繁时，查找性能会比较低下
  

针对这些问题，Redis在实现自己的分布式集群方案时，设计了全新的思路：基于P2P结构的HashSlot算法，下面简单介绍一下：

• 使用HashSlot
  类似于Hash环，Redis Cluster采用HashSlot来实现Key值的均匀分布和实例的增删管理。
  首先默认分配了16384个Slot（这个大小正好可以使用2kb的空间保存），每个Slot相当于一致性Hash环上的一个节点。接入集群的所有实例将均匀地占有这些Slot，而最终当我们Set一个Key时，使用CRC16(Key) % 16384来计算出这个Key属于哪个Slot，并最终映射到对应的实例上去。
  那么当增删实例时，Slot和实例间的对应要如何进行对应的改动呢？
  举个例子，原本有3个节点A,B,C，那么一开始创建集群时Slot的覆盖情况是：
  节点A        0－5460节点B        5461－10922节点C        10923－16383复制代码现在假设要增加一个节点D，RedisCluster的做法是将之前每台机器上的一部分Slot移动到D上（注意这个过程也意味着要对节点D写入的KV储存），成功接入后Slot的覆盖情况将变为如下情况：
  节点A        1365-5460节点B        6827-10922节点C        12288-16383节点D        0-1364,5461-6826,10923-12287复制代码同理删除一个节点，就是将其原来占有的Slot以及对应的KV储存均匀地归还给其他节点。
  
• P2P节点寻找
  现在我们考虑如何实现去中心化的访问，也就是说无论访问集群中的哪个节点，你都能够拿到想要的数据。其实这有点类似于路由器的路由表，具体说来就是：
  
  
  • 每个节点都保存有完整的HashSlot - 节点映射表，也就是说，每个节点都知道自己拥有哪些Slot，以及某个确定的Slot究竟对应着哪个节点。
    
  • 无论向哪个节点发出寻找Key的请求，该节点都会通过CRC(Key) % 16384计算该Key究竟存在于哪个Slot，并将请求转发至该Slot所在的节点。
    
    
  总结一下就是两个要点：映射表和内部转发，这是通过著名的**Gossip协议**来实现的。
  

最后我们可以给出Redis Cluster的系统结构图，和一致性Hash环还是有着很明显的区别的：


对比一下，HashSlot + P2P的方案解决了去中心化的问题，同时也提供了更好的动态扩展性。但相比于一致性Hash而言，其结构更加复杂，实现上也更加困难。
而在之前的分析中我们也能看出，一致性Hash方案整体上还是有着不错的表现的，因此在实际的系统应用中，可以根据开发成本和性能要求合理地选择最适合的方案。总之，两者都非常优秀，至于用哪个、怎么用，就是仁者见仁智者见智的问题了。



链接：https://juejin.im/post/5b8f93576fb9a05d11175b8d

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作者: 不二晨    时间: 2018-9-13 16:18

很不错，受教了

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作者: Yin灬Yan    时间: 2018-9-16 15:40
感谢分享  很有用

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作者: 不二晨    时间: 2018-9-20 17:22
奈斯

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