美团点评 KV 存储发展历程
美团第一代的分布式 KV 存储如下图左侧的架构所示，相信很多公司都经历过这个阶段。在客户端内做一致性哈希，在后端部署很多的 Memcached 实例，这样就实现了最基本的 KV 存储分布式设计。但这样的设计存在很明显的问题：比如在宕机摘除节点时，会丢数据，缓存空间不够需要扩容，一致性哈希也会丢失一些数据等等，这样会给业务开发带来的很多困扰。
随着 Redis 项目的成熟，美团也引入了 Redis 来解决我们上面提到的问题，进而演进出来如上图右侧这样一个架构。大家可以看到，客户端还是一样，采用了一致性哈希算法，服务器端变成了 Redis 组成的主从结构。当任何一个节点宕机，我们可以通过 Redis 哨兵完成 Failover，实现高可用。但有一个问题还是没有解决，如果扩缩容的话，一致性哈希仍然会丢数据，那么这个问题该如何解决呢？
内存 KV Squirrel 架构和实践
在开始之前，本文先介绍两个存储系统共通的地方。比如分布式存储的经典问题：数据是如何分布的？这个问题在 KV 存储领域，就是 Key 是怎么分布到存储节点上的。这里 Squirrel 跟 Cellar 是一样的。当我们拿到一个 Key 后，用固定的哈希算法拿到一个哈希值，然后将哈希值对 Slot 数目取模得到一个Slot id，我们两个 KV 现在都是预分片16384个 Slot 。得到 Slot id 之后，再根据路由表就能查到这个 Slot 存储在哪个存储节点上。这个路由表简单来说就是一个 Slot 到存储节点的对照表。
KV 数据分布介绍
接下来讲一下对高可用架构的认知，个人认为高可用可以从宏观和微观两个角度来看。从宏观的角度来看，高可用就是指容灾怎么做。比如说挂掉了一个节点，你该怎么做？一个机房或者说某个地域的一批机房宕机了，你该怎么做？而从微观的角度看，高可用就是怎么能保证端到端的高成功率。我们在做一些运维升级或者扩缩容数据迁移的时候，能否做到业务请求的高可用？本文也会从宏观和微观两个角度来分享美团做的一些高可用工作。
Squirrel 架构
Squirrel—节点容灾
如果过了一段时间，HA 判断它属于一个永久性的宕机，HA 节点会直接从 Kubernetes 集群申请一个新的 Redis 4 容器实例，把它加到集群里。此时，拓扑结构又变成了一主两从的标准结构，HA 节点更新完集群拓扑之后，就会去写 ZooKeeper 通知客户端去更新路由，客户端就能到 Redis 4 这个新从库上进行读操作。
通过上述方案，我们把从库的摘除时间从 30 秒降低到了 5 秒。另外，我们通过 HA 自动申请容器实例加入集群的方式，把宕机补副本变成了一个分钟级的自动操作，不需要任何人工的介入。
Squirrel 跨地域容灾
我们解决了单节点宕机的问题，那么跨地域问题如何解决呢？我们首先来看下跨地域有什么不同。第一，相对于同地域机房间的网络而言，跨地域专线很不稳定；第二，跨地域专线的带宽是非常有限且昂贵的。而集群内的复制没有考虑极端的网络环境。假如我们把主库部署到北京，两个从库部署在上海，同样一份数据要在北上专线传输两次，这样会造成巨大的专线带宽浪费。另外，随着业务的发展和演进，我们也在做单元化部署和异地多活架构。用官方的主从同步，满足不了我们的这些需求。基于此，我们又做了集群间的复制方案。
Squirrel 智能迁移
对于数据迁移，我们主要遇到三个问题：
- Redis Cluster 虽然提供了数据迁移能力，但是对于要迁哪些 Slot，Slot 从哪迁到哪，它并不管。
- 做数据迁移的时候，大家都想越快越好，但是迁移速度过快又可能影响业务正常请求。
- Redis 的 Migrate 命令会阻塞工作线程，尤其在迁移大 Value 的时候会阻塞特别久。
为了解决这些问题，我们做了全新的迁移服务。
Squirrel 持久化重构
Redis 主从同步时会生成 RDB。生成 RDB 的过程会调用 Fork 产生一个子进程去写数据到硬盘，Fork 虽然有操作系统的 COW 机制，但是当内存用量达到 10 G 或 20 G 时，依然会造成整个进程接近秒级的阻塞。这对在线业务来说几乎是无法接受的。我们也会为数据可靠性要求高的业务去开启 AOF，而开 AOF 就可能因 IO 抖动造成进程阻塞，这也会影响请求成功率。对官方持久化机制的这两个问题，我们的解决方案是重构持久化机制。
Squirrel 热点 Key
下面看一下 Squirrel 的热点 Key 解决方案。如下图所示，普通主、从是一个正常集群中的节点，热点主、从是游离于正常集群之外的节点。我们看一下它们之间怎么发生联系。
当有请求进来读写普通节点时，节点内会同时做请求 Key 的统计。如果某个 Key 达到了一定的访问量或者带宽的占用量，会自动触发流控以限制热点 Key 访问，防止节点被热点请求打满。同时，监控服务会周期性的去所有 Redis 实例上查询统计到的热点 Key。如果有热点，监控服务会把热点 Key 所在 Slot 上报到我们的迁移服务。迁移服务这时会把热点主从节点加入到这个集群中，然后把热点 Slot 迁移到这个热点主从上。因为热点主从上只有热点 Slot 的请求，所以热点 Key的处理能力得到了大幅提升。通过这样的设计，我们可以做到实时的热点监控，并及时通过流控去止损；通过热点迁移，我们能做到自动的热点隔离和快速的容量扩充。
持久化 KV Cellar 架构和实践
下面看一下持久化 KV Cellar 的架构和实践。下图是我们最新的 Cellar 架构图。
如上图所示 ，如果 A 节点宕机了，会触发 Handoff 机制，这时候中心节点会通知客户端 A节点发生了故障，让客户端把分片 1 的请求也打到 B 上。B 节点正常处理完客户端的读写请求之后，还会把本应该写入 A 节点的分片 1&2 数据写入到本地的 Log 中。
如果 A 节点宕机后 3~5 分钟，或者网络抖动 30~50 秒之后恢复了，A 节点就会上报心跳到中心节点，中心节点就会通知 B 节点：“ A 节点恢复了，你去把它不在期间的数据传给它。”这时候，B 节点就会把本地存储的 Log 回写到 A 节点上。等到 A 节点拥有了故障期间的全量数据之后，中心节点就会告诉客户端，A 节点已经彻底恢复了，客户端就可以重新把分片 1 的请求打回 A 节点。
接下来，我们看一下 Cellar 如何保证它的端到端高成功率。这里也讲三个影响成功率的问题。Cellar 遇到的数据迁移和热点 Key 问题与 Squirrel 是一样的，但解决方案不一样。这是因为 Cellar 走的是自研路径，不用考虑与官方版本的兼容性，对架构改动更大些。另一个问题是慢请求阻塞服务队列导致大面积超时，这是 Cellar 网络、工作多线程模型设计下会遇到的不同问题。
Cellar 智能迁移
Cellar 热点 Key
上图是 Cellar 热点 Key 解决方案的架构图。我们可以看到中心节点加了一个职责，多了热点区域管理，它现在不只负责正常的数据副本分布，还要管理热点数据的分布，图示这个集群在节点 C、D 放了热点区域。我们通过读写流程看一下这个方案是怎么运转的。如果客户端有一个写操作到了 A 节点，A 节点处理完成后，会根据实时的热点统计结果判断写入的 Key 是否为热点。
如果这个 Key 是一个热点，那么它会在做集群内复制的同时，还会把这个数据复制有热点区域的节点，也就是图中的 C、D 节点。同时，存储节点在返回结果给客户端时，会告诉客户端，这个 Key 是热点，这时客户端内会缓存这个热点 Key。当客户端有这个 Key 的读请求时，它就会直接去热点区域做数据的读取。通过这样的方式，我们可以做到只对热点数据做扩容，不像 Squirrel ，要把整个 Slot 迁出来做扩容。有必要的话，中心节点也可以把热点区域放到集群的所有节点上，所有的热点读请求就能均衡的分到所有节点上。另外，通过这种实时的热点数据复制，我们很好地解决了类似客户端缓存热点 KV 方案造成的一致性问题。
发展规划和业界趋势
最后，一起来看看我们项目的规划和业界的技术趋势。这部分内容会按照服务、系统、硬件三层来进行阐述。首先在服务层，主要有三点：
- Redis Gossip 协议优化。大家都知道 Gossip 协议在集群的规模变大之后，消息量会剧增，它的 Failover 时间也会变得越来越长。所以当集群规模达到 TB 级后，集群的可用性会受到很大的影响，所以我们后面会重点在这方面做一些优化。
- 我们已经在 Cellar 存储节点的数据副本间做了 Raft 复制，可以保证数据强一致，后面我们会在 Cellar 的中心点内部也做一个 Raft 复制，这样就不用依赖于 ZooKeeper 做分布式仲裁、元数据存储了，我们的架构也会变得更加简单、可靠。
- Squirrel 和 Cellar 虽然都是 KV 存储，但是因为它们是基于不同的开源项目研发的，所以 API 和访问协议不同，我们之后会考虑将 Squirrel 和 Cellar 在 SDK 层做整合，虽然后端会有不同的存储集群，但业务侧可以用一套 SDK 进行访问。
在系统层面，我们正在调研并去落地一些 Kernel Bypass 技术，像 DPDK、SPDK 这种网络和硬盘的用户态 IO 技术。它可以绕过内核，通过轮询机制访问这些设备，可以极大提升系统的 IO 能力。存储作为 IO 密集型服务，性能会获得大幅的提升。
在硬件层面，像支持 RDMA 的智能网卡能大幅降低网络延迟和提升吞吐；还有像 3D XPoint 这样的闪存技术，比如英特尔新发布的 AEP 存储，其访问延迟已经比较接近内存了，以后闪存跟内存之间的界限也会变得越来越模糊；最后，看一下计算型硬件，比如通过在闪存上加 FPGA 卡，把原本应该 CPU 做的工作，像数据压缩、解压等，下沉到卡上执行，这种硬件能在解放 CPU 的同时，也可以降低服务的响应延迟。
作者简介
美团点评高级技术专家，2014 年加入美团。
来源：美团技术团队
