Couchbase介绍,更好的Cache系统

在移动互联网时代,我们面对的是更多的客户端,更低的请求延迟,这当然需要对数据做大量的 Cache 以提高读写速度。

术语

  • 节点:指集群里的一台服务器。

现有 Cache 系统的特点

目前业界使用得最多的 Cache 系统主要是 memcached 和 redis。 这两个 Cache 系统都有都有很大的用户群,可以说是比较成熟的解决方案,也是很多系统当然的选择。 不过,在使用 memcached 和 redis 过程中,还是碰到了不少的问题和局限:

  • Cluster 支持不够。在扩容、负载均衡、高可用等方面存在明显不足。
  • 持久化支持不好,出现问题后恢复的代价大。memcached 完全不支持持久化,redis 的持久化会造成系统间歇性的负载很高。

我期待的理想 Cache 系统

良好的 cluster 支持

  • Key 可以动态分散(Auto Sharding)在不同的服务器上,可以通过动态添加服务器节点增加系统容量。
  • 没有单点失效,任何一个单点都不会造成数据不可访问。
  • 读写负载可以均匀分布在系统的不同节点上。

支持异步持久化支持

  • 方便快速恢复,甚至可以直接用作 key/value 数据库。 经常在跟业界朋友交流时,会提到用 key 分段的方法来做容量扩展以及负载均衡。但是用静态的 key 分段会有不少问题:
  • Cache 系统本身及使用 cache 的客户端都需要预设一个分段逻辑,这个逻辑后期如果需要调整将会非常困难。不能解决单点失效的问题,还需要额外的手段。运维需要更多的人为参与,避免 key 超出现有分区,一旦出现 key 找不到对应服务器,访问直接失败。

最接近需求的系统:Couchbase

基于这些想法,我花了几天时间在 google, stack overflow, quora 上看了很多大家关于 cache cluster 的讨论,找到一个比较新系统 Couchbase。

mem vs cb memcached VS couchbase

Couchbase 的集群设计对等网

Couchbase 群集所有点都是对等的,只是在创建群或者加入集群时需要指定一个主节点,一旦结点成功加入集群,所有的结点对等。

high_level_architecture

图片来源:couchbase.com

对等网的优点是,集群中的任何节点失效,集群对外提供服务完全不会中断,只是集群的容量受影响。 Smart Client

由于 couchbase 是对等网集群,所有的节点都可以同时对客户端提供服务,这就需要有方法把集群的节点信息暴露给客户端,couchbase 提供了一套机制,客户端可以获取所有节点的状态以及节点的变动,由客户端根据集群的当前状态计算 key 所在的位置。 vBucket

vBucket 概念的引入,是 couchbase 实现 auto sharding,在线动态增减节点的重要基础。

简单的解释 vBucket 可以从静态分片开始说起,静态分片的做法一般是用 key 算出一个 hash,得到对应的服务器,这个算法很简单,也容易理解。如以下代码所示:

servers = ['server1:11211', 'server2:11211', 'server3:11211']
server_for_key(key) = servers[hash(key) % servers.length]

但也有几个问题:

  • 如果一台服务器失效,会造成该分片的所有 key 失效。
  • 如果服务器容量不同,管理非常麻烦。
  • 前面提到过,运维、配置非常不方便。

为了把 key 跟服务器解耦合,couchbase 引入了 vBucket。可以说 vBucket 代表一个 cache 子集,主要特点:

  • key hash 对应一个 vBucket,不再直接对应服务器。
  • 集群维护一个全局的 vBucket 与服务器对应表。
  • 前面提到的 smart client 重要的功能就是同步 vBucket 表。

如以下代码所示:

servers = ['server1:11211', 'server2:11211', 'server3:11211']
vbuckets = [0, 0, 1, 1, 2, 2]
server_for_key(key) = servers[vbuckets[hash(key) % vbuckets.length]]

vBucket

图片来源:http://dustin.sallings.org/2010/06/29/memcached-vbuckets.html

由于 vBucket 把 key 跟服务器的静态对应关系解耦合,基于 vBucket 可以实现一些非常强大有趣的功能,例如:

  • Replica,以 vBucket 为单位的主从备份。如果某个节点失效,只需要更新 vBucket 映射表,马上启用备份数据。
  • 动态扩容。新增加一个节点后,可以把部分 vBucket 转移到新节点上,并更新 vBucket 映射表。

vBucket 非常重要,以后可以单独写一篇文章分享。

总结

  • Couchbase 的对等网设计,smart client 直接获取整的集群的信息,在客户端实现负载均衡,整个集群没有单点失效,并且完全支持平行扩展。
  • vBucket 的引入,完全实现了 auto sharding,可以方便灵活的把数据的子集在不同节点上移动,以实现集群动态管理。
  • Couchbase 有一个非常专业的 web 管理界面,并且支持通过 RESTful API 管理,这也是 memcached, redis 不能企及的。
  • 如果只是做 key/value 的 cache,Couchbase 可以完全取代 memcached。
  • Couchbase 已经被我们在生产环境中大量采用。