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memcached 分布式方案 Consistent Hashing算法

2015年04月21日 学习随笔, 编程开发 memcached 分布式方案 Consistent Hashing算法已关闭评论 阅读 16 次
摘要:在做服务器负载均衡时候可供选择的负载均衡的算法有很多,包括: 轮循算法(Round Robin)、哈希算法(HASH)、最少连接算法(Least Connection)、响应速度算法(Response Time)、加权法(Weighted )等。其中哈希算法是最为常用的算法....

在做服务器负载均衡时候可供选择的负载均衡的算法有很多,包括:  轮循算法(Round Robin)、哈希算法(HASH)、最少连接算法(Least Connection)、响应速度算法(Response Time)、加权法(Weighted )等。其中哈希算法是最为常用的算法.    典型的应用场景是: 有N台服务器提供缓存服务,需要对服务器进行负载均衡,将请求平均分发到每台服务器上,每台机器负责1/N的服务。

常用的算法是对hash结果取余数 (hash() mod N):对机器编号从0到N-1,按照自定义的 hash()算法,对每个请求的hash()值按N取模,得到余数i,然后将请求分发到编号为i的机器。但这样的算法方法存在致命问题,如果某一台机器宕 机,那么应该落在该机器的请求就无法得到正确的处理,这时需要将当掉的服务器从算法从去除,此时候会有(N-1)/N的服务器的缓存数据需要重新进行计 算;如果新增一台机器,会有N /(N+1)的服务器的缓存数据需要进行重新计算。对于系统而言,这通常是不可接受的颠簸(因为这意味着大量缓存的失效或者数据需要转移)。那么,如何设 计一个负载均衡策略,使得受到影响的请求尽可能的少呢?
在Memcached、Key-Value Store、Bittorrent DHT、LVS中都采用了Consistent Hashing算法,可以说Consistent Hashing 是分布式系统负载均衡的首选算法。

1、Consistent Hashing算法描述

下面以Memcached中的Consisten Hashing算法为例说明(参考memcached的分布式算法)。

由于hash算法结果一般为unsigned int型,因此对于hash函数的结果应该均匀分布在[0,232-1]间,如果我们把一个圆环用232  个点来进行均匀切割,首先按照hash(key)函数算出服务器(节点)的哈希值, 并将其分布到0~232的圆上。

用同样的hash(key)函数求出需要存储数据的键的哈希值,并映射到圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找,将数据保存到找到的第一个服务器(节点)上。

Consistent hashing,memcached,load balancing,负载均衡,算法,key-value store Consistent Hashing原理示意图

    新增一个节点的时候,只有在圆环上新增节点逆时针方向的第一个节点的数据会受到影响。删除一个节点的时候,只有在圆环上原来删除节点顺时针方向的第一个节 点的数据会受到影响,因此通过Consistent Hashing很好地解决了负载均衡中由于新增节点、删除节点引起的hash值颠簸问题。

Consistent hashing,memcached,load balancing,负载均衡,算法,key-value storeConsistent Hashing添加服务器示意图

    虚拟节点(virtual nodes):之所以要引进虚拟节点是因为在服务器(节点)数较少的情况下 (例如只有3台服务器),通过hash(key)算出节点的哈希值在圆环上并不是均匀分布的(稀疏的),仍然会出现各节点负载不均衡的问题。虚拟节点可以 认为是实际节点的复制品(replicas),本质上与实际节点实际上是一样的(key并不相同)。引入虚拟节点后,通过将每个实际的服务器(节点)数按 照一定的比例(例如200倍)扩大后并计算其hash(key)值以均匀分布到圆环上。在进行负载均衡时候,落到虚拟节点的哈希值实际就落到了实际的节点 上。由于所有的实际节点是按照相同的比例复制成虚拟节点的,因此解决了节点数较少的情况下哈希值在圆环上均匀分布的问题。

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虚拟节点对Consistent Hashing结果的影响

    从上图可以看出,在节点数为10个的情况下,每个实际节点的虚拟节点数为实际节点的100-200倍的时候,结果还是很均衡的。

2、Consistent Hashing算法实现:

文章Consistent Hashing中描述了Consistent Hashing的Java实现,很简洁。

import java.util.Collection;
import java.util.SortedMap;
import java.util.TreeMap;

public class ConsistentHash<T> {

 private final HashFunction hashFunction;
 private final int numberOfReplicas;
 private final SortedMap<Integer, T> circle = new TreeMap<Integer, T>();

 public ConsistentHash(HashFunction hashFunction, int numberOfReplicas,
     Collection<T> nodes) {
   this.hashFunction = hashFunction;
   this.numberOfReplicas = numberOfReplicas;

   for (T node : nodes) {
     add(node);
   }
 }

 public void add(T node) {
   for (int i = 0; i < numberOfReplicas; i++) {
     circle.put(hashFunction.hash(node.toString() + i), node);
   }
 }

 public void remove(T node) {
   for (int i = 0; i < numberOfReplicas; i++) {
     circle.remove(hashFunction.hash(node.toString() + i));
   }
 }

 public T get(Object key) {
   if (circle.isEmpty()) {
     return null;
   }
   int hash = hashFunction.hash(key);
   if (!circle.containsKey(hash)) {
     SortedMap<Integer, T> tailMap = circle.tailMap(hash);
     hash = tailMap.isEmpty() ? circle.firstKey() : tailMap.firstKey();
   }
   return circle.get(hash);
 }

}

文章Consistent hashing implemented simply in Python描述了Consistent Hashing算法的python 实现

 

3、参考文档

    http://weblogs.java.net/blog/2007/11/27/consistent-hashing
    http://michaelnielsen.org/blog/consistent-hashing/
    http://www.spiteful.com/2008/03/17/programmers-toolbox-part-3-consistent-hashing/

http://tech.idv2.com/2008/07/24/memcached-004/

http://amix.dk/blog/viewEntry/19367

http://amix.dk/blog/viewEntry/19369

http://www.javaworld.com/javaworld/jw-10-2008/jw-10-load-balancing-1.html

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