Mishards：集群分片中间件

Mishards 是什么

Mishards 是一个用 Python 开发的 Milvus 集群分片中间件，其内部处理请求转发、读写分离、水平扩展和动态扩容，为用户提供内存和算力可以扩容的 Milvus 实例。

Mishards 简单工作原理

Mishards 负责将上游请求拆分，并路由到内部各细分子服务，最后将子服务结果汇总，返回给上游。

Mishards 目标场景

Mishards 适合大数据规模下的搜索场景。那么，怎么判断数据规模的大小呢？这个问题没有标准答案，因为这取决于实际生产环境中使用的硬件资源。这里提供一个简单的判断数据规模的思路：

1. 如果你不在意延迟，当数据规模大于单台服务器上硬盘的可用容量时，你可以认为这种场景具有大的数据规模。例如，每次批处理 5000 条查询请求，服务端计算时间已经大于数据从硬盘到内存的加载时间，此时将硬盘的可用容量作为判断数据规模的标准。
2. 如果你在意延迟，当数据规模大于单台服务器上的可用内存时，你也可以认为这种场景具有大的数据规模。

基于 Mishards 的集群方案

总体架构

主要构件

• 服务发现：获取读写节点的服务地址。
• 负载均衡器
• Mishards 节点：无状态, 可扩容。
• Milvus 写节点：单节点，不可扩容。为避免单点故障，需为该节点部署高可用 HA 方案。
• Milvus 读节点：有状态，可扩容。
• 共享存储服务：Milvus 读写节点通过共享存储服务共享数据，可选择 NAS 或 NFS。
• 元数据服务：目前只支持 MySQL。生产环境下需要部署 MySQL 高可用方案。

Mishards 配置

全局配置

元数据

元数据记录了底层数据的组织结构信息。在分布式系统中，Milvus 写节点是元数据唯一的生产者，而 Mishards 节点、Milvus 写节点和读节点都是元数据的消费者。目前版本的 Milvus 只支持 MySQL 和 SQLite 作为元数据的存储后端。

在分布式系统中，元数据的存储后端只能是 MySQL。

服务发现

服务发现为 Mishards 提供所有 Milvus 读写节点的地址信息。Mishards 定义了相关的服务发现接口 IServiceRegistryProvider，并通过插件模式提供了扩展的可能性。目前默认提供了两种插件：KubernetesProvider 对应 Kubernetes 集群；StaticProvider 对应静态配置。你可以仿照这两种插件的实现，定制自己的服务发现插件。

链路追踪

分布式系统错综复杂，请求往往会分发给内部多个服务调用。为了方便问题的定位，我们需要跟踪内部的服务调用链。系统的复杂性越高，一个可行的链路追踪系统带来的好处就越明显。我们选择了已进入 CNCF 的 OpenTracing 分布式追踪标准，OpenTracing 提供与平台和厂商无关的 API，便于开发人员实现链路跟踪系统。

Mishards 定义了相关的链路追踪接口，并通过插件模式提供了扩展的可能性。目前默认提供了基于 Jaeger 的插件。

查阅 Jaeger Doc 了解怎样集成 Jaeger。

日志

集群服务日志文件分布在不同的服务节点上，因此你在排查问题需要登录到相关服务器获取日志。建议使用 ELK 日志分析组件来协同分析多个日志文件、排查问题。

路由

Mishards 从服务发现中心获取 Milvus 读写节点的地址信息，通过元数据服务获取底层数据元信息。Mishards 的路由策略就是对于这些素材的一种消费。如图有 10 个数据段（s1, s2, s3, …, s10）。现在选择基于数据段名字的一致性哈希路由策略（FileNameHashRingBased），Mishards 会将涉及 s1、s4、s6、s9 数据段的请求路由到 Milvus 1 节点，将涉及 s2、s3、s5 数据段的请求路由到 Milvus 2 节点，将涉及 s7、s8、s10 数据段的请求路由到 Milvus 3 节点。

Mishards 定义了路由策略相关的接口，并通过插件提供扩展。你可以仿照默认的一致性哈希路由插件，根据自己的业务特点定制个性化路由。

Mishards 简单示例

启动示例

前提条件

• 安装 Milvus
• Python 版本 3.6 及以上

启动 Milvus 和 Mishards 实例

请按照以下步骤在单机上启动单个 Milvus 实例和 Mishards 服务：

1. 将 Milvus 仓库复制到本地：

   git clone https://github.com/milvus-io/milvus

2. 安装 Mishards 的依赖库：

   $ cd milvus/shards
   $ pip install -r requirements.txt

3. 启动 Milvus 服务：

   • 如果 Docker 版本低于 v19.03，运行如下命令：

   $ sudo docker  run --runtime=nvidia --rm -d -p 19530:19530 -v /tmp/milvus/db:/var/lib/milvus/db milvusdb/milvus:0.10.3-gpu-d091720-f962e8

   • 否则，运行如下命令：

   $ sudo docker run --gpus all --rm -d -p 19530:19530 -v /tmp/milvus/db:/var/lib/milvus/db milvusdb/milvus:0.10.3-gpu-d091720-f962e8

4. 更改目录权限：

   $ sudo chown -R $USER:$USER /tmp/milvus

5. 配置 Mishards 环境变量：

   $ cp mishards/.env.example mishards/.env

6. 启动 Mishards 服务：

   $ python mishards/main.py

使用 docker-compose 启动示例

all_in_one 使用 Docker 容器启动 2 个 Milvus 实例、1 个 Mishards 中间件实例和 1 个 Jaeger 链路追踪实例。

1. 安装 Docker Compose。

2. 将 Milvus 仓库复制到本地：

   $ git clone https://github.com/milvus-io/milvus
   $ cd milvus/shards

3. 启动所有服务：

   $ make deploy

4. 检查确认服务状态：

   $ make probe_deploy
   Pass ==> Pass: Connected
   Fail ==> Error: Fail connecting to server on 127.0.0.1:19530. Timeout

若要查看服务踪迹，使用浏览器打开 Jaeger 页面。

若要清理所有服务，请使用如下命令：

$ make clean_deploy

在 Kubernetes 中部署 Mishards 集群

安装前提

• Kubernetes 版本 1.10 及以上
• Helm 版本 2.12.0 及以上

关于 Helm 的使用请参考 Helm 使用指南。

安装流程

1. 添加 Helm Chart 仓库：

   $ helm repo add stable https://kubernetes-charts.storage.googleapis.com

2. 安装 Chart 依赖：

   $ git clone https://github.com/milvus-io/milvus-helm.git
   $ cd milvus-helm
   $ helm dep update

3. 部署 Mishards：

   $ helm install --set cluster.enabled=true --set persistence.enabled=true milvus-release  .

4. 检查部署状态：

   $ helm list -f "milvus-release"

卸载 Mishards

• 使用 Helm v2.x 卸载 Mishards：

  $ helm delete milvus-release

• 使用 Helm v3.x 卸载 Mishards：

  $ helm uninstall milvus-release

从单机升级到 Mishards 集群

Milvus-Helm 支持从单机服务升级到 Mishards 集群。

1. 部署单机 Milvus：

   $ helm install --set persistence.enabled=true milvus-release .

2. 升级到 Mishards 集群：

   $ helm upgrade --set cluster.enabled=true --set persistence.enabled=true milvus-release .

注意事项

Mishards 依赖共享存储，因此 Kubernetes 集群中必须有可用的 PV（Persistent Volumes）， 并且保证 PV 能够同时被多个 Pod 共同使用。这里通过 persistence.enabled 来开启 Persistent Volumes。

1. 为了共享数据，PV 访问模式必须被设置为 ReadOnlyMany 或者 ReadWriteMany。

2. 选择文件存储系统：

   • 如果集群部署在 AWS，可以使用 Elastic File System (EFS)。
   • 如果集群部署在 Azure，可以使用 Azure File Storage (AFS)。

• 关于 PersistentVolume 的申请及管理，请参阅 Persistent Volumes。
• 关于 PersistentVolume 的访问模式，请参阅 Access Modes。

基本案例

你可以在 Milvus Helm Charts 找到 Milvus-Helm 支持的所有参数。

1. 配置有多个读节点和多个 Mishards 分片中间件的集群。

   我们通常配置多个节点来保证服务的可用性以及提高吞吐率。下面的例子部署的 Mishards 集群包括：2 个分片中间件、2 个读节点、1 个写节点。

   $ helm install
     --set cluster.enabled=true     \
     --set persistence.enabled=true \
     --set mishards.replica=2       \
     --set readonly.replica=2       \
     milvus-release .

   这里通过 mishards.replica 和 readonly.replica 控制副本集数量，默认值为 1。

   Mishards 集群中的写节点暂时不支持扩展。

2. 使用外部已配置好的 MySQL 集群作为元数据数据库。

   为了配合本地部署，有些情况需要支持外部的 MySQL。Milvus-Helm 内部的 MySQL 服务不保证高可用，但你可以通过外部的 MySQL 集群来提升可用性。下面的例子就是基于外部 MySQL 的部署。

   $ helm install
     --set cluster.enabled=true             \
     --set persistence.enabled=true         \
     --set mysql.enabled=false              \
     --set externalMysql.enable=true        \
     --set externalMysql.ip=192.168.1.xx    \
     --set externalMysql.port=3306          \
     --set externalMysql.user=root          \
     --set externalMysql.password=root      \
     --set externalMysql.database=milvus    \
     milvus-release .

   若使用外部的 MySQL，则不再需要 Helm 内置的 MySQL 服务。这里通过 mysql.enabled 来关闭 Helm 内置的 MySQL 服务。

3. 读写节点的 Milvus 分别使用不同的配置。

   为了更合理地使用资源，我们希望读节点和写节点拥有不一样的配置。下面的例子配置了一个拥有 16 GB 内存的读节点和 8 GB 内存的写节点。

   $ helm install
     --set cluster.enabled=true                     \
     --set persistence.enabled=true                 \
     --set cache.cpuCacheCapacity=8                 \
     --set readonly.cache.cpuCacheCapacity=16       \
     milvus-release .

   • 更多 Milvus 配置参数，请参阅 Milvus 服务端配置。
   • 更多 Milvus-Helm 配置参数，请参阅 Milvus Helm Charts。

4. 配置 GPU 资源。

   使用 GPU 可以有效提升 Milvus 的性能。下面的例子通过 gpu.enabled=true 允许写节点使用 GPU 资源，readonly.gpu.enabled=false 禁止读节点使用 GPU 资源。

   $ helm install
     --set cluster.enabled=true             \
     --set persistence.enabled=true         \
     --set gpu.enabled=true                 \
     --set readonly.gpu.enabled=false       \
     milvus-release .

   Kubernetes 集群中必须有可访问的 GPU 资源。关于 Kubernetes 中的 GPU 资源管理及调度，请参阅 Schedule GPUs。