Hash一致性算法

Posted 2022-12-09 青冬

Hash一致性算法

序

在进行一般的负载均衡、查询负载、分布式缓存、Shuffle等等中的时候，都需要计算这条数据/请求/查询去往哪一个节点。一般来说我们直接进行MessageKey取Hash后的结果对后续节点数进行取余操作就能标识这条数据去往哪里：
$$WhereGo=Hash(MessageKey)\%NodeNum$$
这样的计算在一定业务场景下是没有问题的，但是对于强业务场景的情况下可能就会有问题。

普通Hash取余的缺陷

当我们使用Redis进行数据的缓冲时，时常将数据从数据库中取出，然后插入到Redis中进行缓存。而Redis进行扩容的时候，如果采用的是上面的算法进行计算的时候，MessageKey取Hash不变，但由于NodeNum的变化导致得出WhereGo的编号也会发生变化，如下图：

我们想象的添加Slave2后，让其分担Slave0和Slave1的负担，但其是将整个顺序打乱了，进行了一次混洗。该情况对于Redis来说是不可容忍的，因为缓存数据就在这里，不能进行移动。如果每次添加节点，或者删除节点，就引起缓存失效，那么扩容的代价也太大了。

一致性Hash

顾名思义，我们想在无论什么情况之下，都能保证我原有的集群不会因为某个节点的连接，或者某个节点的退出导致我整体数据链路的转变。无论进行什么样的变化，最好都是变化的节点与没有变化的节点之间发生一些网络交换（必要的替换），而没有变换的节点之间不会有什么变化（非必要交换）。

简单来说就是团队新来一个人，他最多也就接手所有人的一部分工作，或者接手部分人的部分工作；而不是说所有人的计划安排重新来过。

Hash环

在进行上面的映射时，我们将Hash得到的值进行取余，而取余的是NodeNum，只要这个值发生变化，那么就会造成整体变化。那么我们直接固定这个值为一个大值如 2^32。那么每次一个MessageKey进行计算后都不会变化，那么怎么指定后续路径呢？使用Hash环。

我们构建Hash环为0 ~ 2^32，如图：

然后我们Slave节点登陆的时候，也进行一次SlaveKeyHash操作：

那么Slave0对应的Hash环上点就是到下一个Slave节点的位置：

如果这个时候新增了一个节点，那么HashSlot就回被分配如：

这样的话就能适配到新增和退役节点的变化，并且尽量减少影响变化。

二次优化

上面有优点但也有缺点，如果不行出现Hash(SlaveKey)的距离过段或者过长，就会导致整体Slave节点的不均衡如：

上面Slave2和Slave1的hash结果过于接近，导致Slave1的负载过低，Slave0的负载过高，那么有什么解决办法呢？

其实也很简单，直接让每个点进行一些扩容，最简单的操作就是添加一些不同的Salt值如：Slave0变成Slave0#1、Salve0#1、Slave0#3。这样随机的N个点变为N*M个散列点进行负载操作。这样当随机点足够多的时候，他们就能够足够均匀的分配负载：

Redis HashSlot

在Redis Cluster中的哈希算法是用来判断用户上传的一个Key，value应该保存在哪一个节点之中（集群模式Redis有多台主节点，每台主节点对应一台或多台备节点）。

Redis类似于有16384大小的Hash环，具体算法为：
$$HASH\_SLOT=CRC16(MessageKey)mod16384$$
当我们有三个节点的时候，他们会平均分配所占有的槽位：

• 节点A覆盖0－5460;
• 节点B覆盖5461－10922;
• 节点C覆盖10923－16383.

如果这个时候新增了一个节点，那这个节点会向之前的节点抢夺一些Slot：

• 节点A覆盖1365-5460
• 节点B覆盖6827-10922
• 节点C覆盖12288-16383
• 节点D覆盖0-1364,5461-6826,10923-12287

如果A节点被删除了，那么A节点的Slot会被移动到其他节点，然后删除空白A节点就可以了。

这里可能有人问其实CRC16算法产生的为
$$2^{1}6-1=65535$$
个映射，但只是用了16384个，这个涉及到Redis自身的考量，感兴趣的可以去查查。

所以Redis 的实现Hash我认为并不是最有解，但是他主打的也并不是Slot槽这点，而是主从复制，高可用性，而且可以自己分配槽位，方便管理。