Dynamo分布式系统——「RWN」协议解决多备份数据如何读写来保证数据一致性，而「向量时钟」来保证当读取到多个备份数据的时候，如何判断哪些数据是最新的这种情况

Posted 2020-08-26 将者，智、信、仁、勇、严也。

转自：http://blog.jqian.net/post/dynamo.html

Dynamo是Amazon开发的一款高可用的分布式KV系统，已经在Amazon商店的后端存储有很成熟的应用。它的特点：总是可写（500+ per sec, 99.9% <300ms），并且可以根据需求优化配置（调整RWN模型）。

根据CAP原则 (Consistency, Availability, Partition tolerance)，Dynamo是一个AP系统，只保证最终一致性。

Dynamo的三个主要概念：

• Key-Value：Key用来唯一标识一个数据对象，Value标识数据对象具体内容，只能通过Key对该对象进行读写操作。
• 节点(node)：指一台物理主机。主要有 协调请求(request coordination)、成员及故障检测(membership and failure detection) 和 本地持久化(local persistence engine) 三大功能组件，底层的数据持久化存储一般使用Berkeley DB TDS。
• 实例(instance)：每个实例由一组节点组成，从应用层看，实例提供IO功能。实例上的节点可以位于不同IDC以保证容灾。

数据分区(Partition)

分布式系统中 数据分区 是个重要话题，Dynamo使用了Consistent Hash的变种，增加了虚节点的概念。这样一个实际的物理节点会分布到环上的成百上千个虚节点上。这样的好处在于：

• 如果一个节点不可用（故障或者维护），该节点的负载可以均匀的分散到其他可用节点上；
• 如果一个节点重新可用，或者新加入一个节点，新增节点可以接受到和原来节点大致相同的请求量；
• 虚节点的数目可以根据物理机器的容量调整，以保证不容量的机型达到相应的负载。

数据复制(Replication)

为了高可用性，Dynamo同样使用副本，默认副本数为3。Dynamo里复制副本很简单，当Key通过Consistent Hash散列到节点A上后，节点A的协调器(coordinator)会把该份数据自动复制到顺时针方向紧邻它的N-1个节点上，其中N是副本数。

数据版本(Data Versioning)

由于存在多副本，在没有达到最终一致性之前，对每个副本的写操作Dynamo是接受的，它的做法是标记一个版本号，这会导致系统中同一时间出现同一数据对象的多个版本。当然，这种做法比较适合Amazon自己的购物车应用，以便保证每次用户对购物车的更改都是可以保留下来。

在多数情况下，新版本会包含老版本，且系统自己就能协调(syntactic reconciliation)决定最终版本。但用过版本管理系统的人都知道，版本冲突是不可避免的，Dynamo也会遇到这种情况，此时需要交由应用层来协调，将多个分支的数据强行合并(collapse)一个版本。这种版本协调的结果，对于购物车应用来说，添加的商品不会丢失，但是删除的商品有可能出现，对于购物车场景来说是可以接受的。

Dynamo使用向量时钟(Vector Clock)来做版本控制，以合并冲突。

读写操作

Dynamo是一个高可用性系统，任何节点可以在任何时刻(failure-free)接受应用层的读写操作。但由于有多副本，读写操作就涉及数据一致性问题。为了解决该问题，Dynamo使用了类似法定仲裁Quorum)的一致性协议。

Quroum协议有两个个配置项：

• R 一次成功读操作中最少参与的节点数目
• W 一次成功写操作中最少参与的节点数目

Quorum是说要保证：W+R > N，相当于 写成功需要的副本数 + 读成功需要的副本数 > 副本总数，则能保证最终一致性。官方建议(N, R, W) = (3, 2, 2)以兼顾AP。

故障处理(Hinted handoff)

在一个节点出现临时性故障时，数据会自动进入列表中的下一个节点进行写操作，并标记为handoff数据，在收到通知需要原节点恢复时重新把数据推回去。这能使系统的写入成功大大提升。

处理永久故障(Replica synchronization)

为了更快的检测副本之间是否不一致，Dynamo使用MerkleTree。MerkleTree是一个hash值构成的树，每个叶子节点是Key的hash值，然后中间节点是所有儿子节点的hash值，这样每个子节点的变动都会反应到上层父节点。使用MerkleTree为数据建立索引，只要任意数据有变动，都将快速反馈出来，可以提速数据变动时的查找。这一技术在torrent p2p传输中早有普及。

成员和故障检测

Gossip是一种去中心化的通讯协议，通常被用在分布式的非强一致性系统中，用来同步各节点状态。具体做法是，在一个有界网络中，每个节点会 周期性的 随机的 发起Gossip会话，经过多轮通信后，最终所有节点状态会达成一致。它可以用来发现成员，也可以用来故障检测。

Gossip有多种具体实现，Daynamo中使用的是Anti-entropy实现。

据说早期Dynamo的做法类似corosync，是在每台节点上维护一个全部节点状态的全局视图。

参考：

• Amazon‘s Dynamo