《一切皆是映射:代码的本质》一致性哈希算法(consistent hashing)

一致性Hash算法背景

一致性哈希算法在1997年由麻省理工学院的Karger等人在解决分布式Cache中提出的,设计目标是为了解决因特网中的热点(Hot spot)问题,初衷和CARP十分类似。一致性哈希修正了CARP使用的简单哈希算法带来的问题,使得DHT可以在P2P环境中真正得到应用。

但现在一致性hash算法在分布式系统中也得到了广泛应用,研究过memcached缓存数据库的人都知道,memcached服务器端本身不提供分布式cache的一致性,而是由客户端来提供,具体在计算一致性hash时采用如下步骤:

  1. 首先求出memcached服务器(节点)的哈希值,并将其配置到0~232的圆(continuum)上。
  2. 然后采用同样的方法求出存储数据的键的哈希值,并映射到相同的圆上。
  3. 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上。如果超过232仍然找不到服务器,就会保存到第一台memcached服务器上。
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从上图的状态中添加一台memcached服务器。余数分布式算法由于保存键的服务器会发生巨大变化而影响缓存的命中率,但Consistent Hashing中,只有在园(continuum)上增加服务器的地点逆时针方向的第一台服务器上的键会受到影响,如下图所示:

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一致性Hash性质

考虑到分布式系统每个节点都有可能失效,并且新的节点很可能动态的增加进来,如何保证当系统的节点数目发生变化时仍然能够对外提供良好的服务,这是值得考虑的,尤其实在设计分布式缓存系统时,如果某台服务器失效,对于整个系统来说如果不采用合适的算法来保证一致性,那么缓存于系统中的所有数据都可能会失效(即由于系统节点数目变少,客户端在请求某一对象时需要重新计算其hash值(通常与系统中的节点数目有关),由于hash值已经改变,所以很可能找不到保存该对象的服务器节点),因此一致性hash就显得至关重要,良好的分布式cahce系统中的一致性hash算法应该满足以下几个方面:

  • 平衡性(Balance)

平衡性是指哈希的结果能够尽可能分布到所有的缓冲中去,这样可以使得所有的缓冲空间都得到利用。很多哈希算法都能够满足这一条件。

  • 单调性(Monotonicity)

单调性是指如果已经有一些内容通过哈希分派到了相应的缓冲中,又有新的缓冲区加入到系统中,那么哈希的结果应能够保证原有已分配的内容可以被映射到新的缓冲区中去,而不会被映射到旧的缓冲集合中的其他缓冲区。简单的哈希算法往往不能满足单调性的要求,如最简单的线性哈希:x = (ax + b) mod (P),在上式中,P表示全部缓冲的大小。不难看出,当缓冲大小发生变化时(从P1到P2),原来所有的哈希结果均会发生变化,从而不满足单调性的要求。哈希结果的变化意味着当缓冲空间发生变化时,所有的映射关系需要在系统内全部更新。而在P2P系统内,缓冲的变化等价于Peer加入或退出系统,这一情况在P2P系统中会频繁发生,因此会带来极大计算和传输负荷。单调性就是要求哈希算法能够应对这种情况。

  • 分散性(Spread)

在分布式环境中,终端有可能看不到所有的缓冲,而是只能看到其中的一部分。当终端希望通过哈希过程将内容映射到缓冲上时,由于不同终端所见的缓冲范围有可能不同,从而导致哈希的结果不一致,最终的结果是相同的内容被不同的终端映射到不同的缓冲区中。这种情况显然是应该避免的,因为它导致相同内容被存储到不同缓冲中去,降低了系统存储的效率。分散性的定义就是上述情况发生的严重程度。好的哈希算法应能够尽量避免不一致的情况发生,也就是尽量降低分散性。

  • 负载(Load)

负载问题实际上是从另一个角度看待分散性问题。既然不同的终端可能将相同的内容映射到不同的缓冲区中,那么对于一个特定的缓冲区而言,也可能被不同的用户映射为不同的内容。与分散性一样,这种情况也是应当避免的,因此好的哈希算法应能够尽量降低缓冲的负荷。

  • 平滑性(Smoothness)

平滑性是指缓存服务器的数目平滑改变和缓存对象的平滑改变是一致的。

原理

基本概念

一致性哈希算法(Consistent Hashing)最早在论文《Consistent Hashing and Random Trees: Distributed Caching Protocols for Relieving Hot Spots on the World Wide Web》中被提出。简单来说,一致性哈希将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环,如假设某哈希函数H的值空间为0-2^32-1(即哈希值是一个32位无符号整形),整个哈希空间环如下:

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整个空间按顺时针方向组织。0和232-1在零点中方向重合。

下一步将各个服务器使用Hash进行一个哈希,具体可以选择服务器的ip或主机名作为关键字进行哈希,这样每台机器就能确定其在哈希环上的位置,这里假设将上文中四台服务器使用ip地址哈希后在环空间的位置如下:

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接下来使用如下算法定位数据访问到相应服务器:将数据key使用相同的函数Hash计算出哈希值,并确定此数据在环上的位置,从此位置沿环顺时针“行走”,第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器。

例如我们有Object A、Object B、Object C、Object D四个数据对象,经过哈希计算后,在环空间上的位置如下:

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根据一致性哈希算法,数据A会被定为到Node A上,B被定为到Node B上,C被定为到Node C上,D被定为到Node D上。

下面分析一致性哈希算法的容错性和可扩展性。现假设Node C不幸宕机,可以看到此时对象A、B、D不会受到影响,只有C对象被重定位到Node D。一般的,在一致性哈希算法中,如果一台服务器不可用,则受影响的数据仅仅是此服务器到其环空间中前一台服务器(即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器)之间数据,其它不会受到影响。

下面考虑另外一种情况,如果在系统中增加一台服务器Node X,如下图所示:

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此时对象Object A、B、D不受影响,只有对象C需要重定位到新的Node X 。一般的,在一致性哈希算法中,如果增加一台服务器,则受影响的数据仅仅是新服务器到其环空间中前一台服务器(即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器)之间数据,其它数据也不会受到影响。

综上所述,一致性哈希算法对于节点的增减都只需重定位环空间中的一小部分数据,具有较好的容错性和可扩展性。

另外,一致性哈希算法在服务节点太少时,容易因为节点分部不均匀而造成数据倾斜问题。例如系统中只有两台服务器,其环分布如下,

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此时必然造成大量数据集中到Node A上,而只有极少量会定位到Node B上。为了解决这种数据倾斜问题,一致性哈希算法引入了虚拟节点机制,即对每一个服务节点计算多个哈希,每个计算结果位置都放置一个此服务节点,称为虚拟节点。具体做法可以在服务器ip或主机名的后面增加编号来实现。例如上面的情况,可以为每台服务器计算三个虚拟节点,于是可以分别计算 “Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”、“Node B#1”、“Node B#2”、“Node B#3”的哈希值,于是形成六个虚拟节点:

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同时数据定位算法不变,只是多了一步虚拟节点到实际节点的映射,例如定位到“Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”三个虚拟节点的数据均定位到Node A上。这样就解决了服务节点少时数据倾斜的问题。在实际应用中,通常将虚拟节点数设置为32甚至更大,因此即使很少的服务节点也能做到相对均匀的数据分布。

环形Hash空间

按照常用的hash算法来将对应的key哈希到一个具有232次方个桶的空间中,即0~(232)-1的数字空间中。现在我们可以将这些数字头尾相连,想象成一个闭合的环形。如下图

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把数据通过一定的hash算法处理后映射到环上

现在我们将object1、object2、object3、object4四个对象通过特定的Hash函数计算出对应的key值,然后散列到Hash环上。如下图:

Hash(object1) = key1;
Hash(object2) = key2;
Hash(object3) = key3;
Hash(object4) = key4;
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将机器通过hash算法映射到环上

在采用一致性哈希算法的分布式集群中将新的机器加入,其原理是通过使用与对象存储一样的Hash算法将机器也映射到环中(一般情况下对机器的hash计算是采用机器的IP或者机器唯一的别名作为输入值),然后以顺时针的方向计算,将所有对象存储到离自己最近的机器中。

假设现在有NODE1,NODE2,NODE3三台机器,通过Hash算法得到对应的KEY值,映射到环中,其示意图如下:

Hash(NODE1) = KEY1;
Hash(NODE2) = KEY2;
Hash(NODE3) = KEY3;
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通过上图可以看出对象与机器处于同一哈希空间中,这样按顺时针转动object1存储到了NODE1中,object3存储到了NODE2中,object2、object4存储到了NODE3中。在这样的部署环境中,hash环是不会变更的,因此,通过算出对象的hash值就能快速的定位到对应的机器中,这样就能找到对象真正的存储位置了。

机器的删除与添加

普通hash求余算法最为不妥的地方就是在有机器的添加或者删除之后会照成大量的对象存储位置失效,这样就大大的不满足单调性了。下面来分析一下一致性哈希算法是如何处理的。

  1. 节点(机器)的删除

以上面的分布为例,如果NODE2出现故障被删除了,那么按照顺时针迁移的方法,object3将会被迁移到NODE3中,这样仅仅是object3的映射位置发生了变化,其它的对象没有任何的改动。如下图:

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  1. 节点(机器)的添加

    如果往集群中添加一个新的节点NODE4,通过对应的哈希算法得到KEY4,并映射到环中,如下图:

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通过按顺时针迁移的规则,那么object2被迁移到了NODE4中,其它对象还保持这原有的存储位置。通过对节点的添加和删除的分析,一致性哈希算法在保持了单调性的同时,还是数据的迁移达到了最小,这样的算法对分布式集群来说是非常合适的,避免了大量数据迁移,减小了服务器的的压力。

平衡性

根据上面的图解分析,一致性哈希算法满足了单调性和负载均衡的特性以及一般hash算法的分散性,但这还并不能当做其被广泛应用的原由,因为还缺少了平衡性。下面将分析一致性哈希算法是如何满足平衡性的。hash算法是不保证平衡的,如上面只部署了NODE1和NODE3的情况(NODE2被删除的图),object1存储到了NODE1中,而object2、object3、object4都存储到了NODE3中,这样就照成了非常不平衡的状态。在一致性哈希算法中,为了尽可能的满足平衡性,其引入了虚拟节点。

“虚拟节点”( virtual node )是实际节点(机器)在 hash 空间的复制品( replica ),一实际个节点(机器)对应了若干个“虚拟节点”,这个对应个数也成为“复制个数”,“虚拟节点”在 hash 空间中以hash值排列。

以上面只部署了NODE1和NODE3的情况(NODE2被删除的图)为例,之前的对象在机器上的分布很不均衡,现在我们以2个副本(复制个数)为例,这样整个hash环中就存在了4个虚拟节点,最后对象映射的关系图如下:

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根据上图可知对象的映射关系:object1->NODE1-1,object2->NODE1-2,object3->NODE3-2,object4->NODE3-1。通过虚拟节点的引入,对象的分布就比较均衡了。那么在实际操作中,正真的对象查询是如何工作的呢?对象从hash到虚拟节点到实际节点的转换如下图:

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“虚拟节点”的hash计算可以采用对应节点的IP地址加数字后缀的方式。例如假设NODE1的IP地址为192.168.1.100。引入“虚拟节点”前,计算 cache A 的 hash 值:

Hash(“192.168.1.100”);

引入“虚拟节点”后,计算“虚拟节”点NODE1-1和NODE1-2的hash值:

Hash(“192.168.1.100#1”); // NODE1-1

Hash(“192.168.1.100#2”); // NODE1-2

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