一致性哈希

学习bRPC一致性哈希。

概述

一些场景希望同样的请求尽量落到一台机器上，比如访问缓存集群时，我们往往希望同一种请求能落到同一个后端上，以充分利用其上已有的缓存，不同的机器承载不同的稳定working set。而不是随机地散落到所有机器上，那样的话会迫使所有机器缓存所有的内容，最终由于存不下形成颠簸而表现糟糕。 我们都知道hash能满足这个要求，比如当有n台服务器时，输入x总是会发送到第hash(x) % n台服务器上。但当服务器变为m台时，hash(x) % n和hash(x) % m很可能都不相等，这会使得几乎所有请求的发送目的地都发生变化，如果目的地是缓存服务，所有缓存将失效，继而对原本被缓存遮挡的数据库或计算服务造成请求风暴，触发雪崩。一致性哈希是一种特殊的哈希算法，在增加服务器时，发向每个老节点的请求中只会有一部分转向新节点，从而实现平滑的迁移。这篇论文中提出了一致性hash的概念。

一致性hash满足以下四个性质：

  • 平衡性 (Balance) : 每个节点被选到的概率是O(1/n)。
  • 单调性 (Monotonicity) : 当新节点加入时， 不会有请求在老节点间移动， 只会从老节点移动到新节点。当有节点被删除时，也不会影响落在别的节点上的请求。
  • 分散性 (Spread) : 当上游的机器看到不同的下游列表时(在上线时及不稳定的网络中比较常见), 同一个请求尽量映射到少量的节点中。
  • 负载 (Load) : 当上游的机器看到不同的下游列表的时候， 保证每台下游分到的请求数量尽量一致。

实现方式

所有server的32位hash值在32位整数值域上构成一个环(Hash Ring)，环上的每个区间和一个server唯一对应，如果一个key落在某个区间内， 它就被分流到对应的server上。

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当删除一个server的，它对应的区间会归属于相邻的server，所有的请求都会跑过去。当增加一个server时，它会分割某个server的区间并承载落在这个区间上的所有请求。单纯使用Hash Ring很难满足我们上节提到的属性，主要两个问题：

  • 在机器数量较少的时候， 区间大小会不平衡。
  • 当一台机器故障的时候， 它的压力会完全转移到另外一台机器， 可能无法承载。

为了解决这个问题，我们为每个server计算m个hash值，从而把32位整数值域划分为n*m个区间，当key落到某个区间时，分流到对应的server上。那些额外的hash值使得区间划分更加均匀，被称为虚拟节点（Virtual Node）。当删除一个server时，它对应的m个区间会分别合入相邻的区间中，那个server上的请求会较为平均地转移到其他server上。当增加server时，它会分割m个现有区间，从对应server上分别转移一些请求过来。

由于节点故障和变化不常发生，我们选择了修改复杂度为O(n)的有序数组来存储hash ring，每次分流使用二分查找来选择对应的机器，由于存储是连续的，查找效率比基于平衡二叉树的实现高。线程安全性请参照Double Buffered Data章节.

使用方式

我们内置了分别基于murmurhash3和md5两种hash算法的实现，使用要做两件事：

  • 在Channel.Init 时指定load_balancer_name为 “c_murmurhash” 或 “c_md5”。
  • 发起rpc时通过Controller::set_request_code(uint64_t)填入请求的hash code。

request的hash算法并不需要和lb的hash算法保持一致，只需要hash的值域是32位无符号整数。由于memcache默认使用md5，访问memcached集群时请选择c_md5保证兼容性，其他场景可以选择c_murmurhash以获得更高的性能和更均匀的分布。

虚拟节点个数

通过-chash_num_replicas可设置默认的虚拟节点个数，默认值为100。对于某些特殊场合，对虚拟节点个数有自定义的需求，可以通过将load_balancer_name加上参数replicas=配置，如：

  1. channel.Init("http://...", "c_murmurhash:replicas=150", &options);

修改于 2023年5月16日: add security bug fix pages (#148) (a29da9f)