淘宝分布式NOSQL框架：Tair
Tair 分布式K-V存储方案
tair 是淘宝的一个开源项目，它是一个分布式的key/value结构数据的解决方案。
作为一个分布式系统，Tair由一个中心控制节点（config server）和一系列的服务节点（data server）组成，
- config server 负责管理所有的data server，并维护data server的状态信息；为了保证高可用（High Available），config server可通过hearbeat 以一主一备形式提供服务；
- data server 对外提供各种数据服务，并以心跳的形式将自身状况汇报给config server；所有的 data server 地位都是等价的。
tair集群的基本概念：
- configID，唯一标识一个tair集群，每个集群都有一个对应的configID，在当前的大部分应用情况下configID是存放在diamond中的，对应了该集群的configserver地址和groupname。业务在初始化tair client的时候需要配置此ConfigID。
- namespace，又称area， 是tair中分配给应用的一个内存或者持久化存储区域， 可以认为应用的数据存在自己的namespace中。 同一集群（同一个configID）中namespace是唯一的。通过引入namespace，我们可以支持不同的应用在同集群中使用相同的key来存放数据，也就是key相同，但内容不会冲突。一个namespace下是如果存放相同的key，那么内容会受到影响，在简单K/V形式下会被覆盖，rdb等带有数据结构的存储引擎内容会根据不同的接口发生不同的变化。
- quota配额，对应了每个namespace储存区的大小限制，超过配额后数据将面临最近最少使用（LRU）的淘汰。持久化引擎（ldb）本身没有配额，ldb由于自带了mdb cache，所以也可以设置cache的配额。超过配额后，在内置的mdb内部进行淘汰。
- expireTime，数据的过期时间。当超过过期时间之后，数据将对应用不可见，不同的存储引擎有不同的策略清理掉过期的数据。
存储引擎
tair 分为持久化和非持久化两种使用方式：
- 非持久化的 tair 可以看成是一个分布式缓存；
- 持久化的 tair 将数据存放于磁盘中，为了解决磁盘损坏导致数据丢失，tair 可以配置数据的备份数目。tair 自动将一份数据的不同备份放到不同的主机上，当有主机发生异常，无法正常提供服务的时候，其余的备份会继续提供服务。
Tair的存储引擎有一个抽象层，只要满足存储引擎需要的接口，便可以很方便的替换Tair底层的存储引擎。比如你可以很方便的将bdb、tc、redis、leveldb甚至MySQL作为Tair的存储引擎，而同时使用Tair的分布方式、同步等特性。
Tair主要有下面三种存储引擎：
- mdb，定位于cache缓存，类似于memcache。支持k/v存取和prefix操作；
- rdb，定位于cache缓存，采用了redis的内存存储结构。支持k/v，list，hash，set，sortedset等数据结构；
- ldb，定位于高性能存储，采用了levelDB作为引擎，并可选择内嵌mdb cache加速，这种情况下cache与持久化存储的数据一致性由tair进行维护。支持k/v，prefix等数据结构。今后将支持list，hash，set，sortedset等redis支持的数据结构。
MDB流程
RDB流程
LDB流程
fastdump
大数据量导入：数据预排序，按桶分memtable。
分布式策略
tair 的分布采用的是一致性哈希算法，对于所有的key，分到Q个桶中，桶是负载均衡和数据迁移的基本单位。config server 根据一定的策略把每个桶指派到不同的data server上，因为数据按照key做hash算法，所以可以认为每个桶中的数据基本是平衡的，保证了桶分布的均衡性, 就保证了数据分布的均衡性。
具体说，首先计算Hash(key)，得到key所对应的bucket，然后再去config server查找该bucket对应的data server，再与相应的data server进行通信。也就是说，config server维护了一张由bucket映射到data server的对照表，比如：
bucket data server
0 192.168.10.1
1 192.168.10.2
2 192.168.10.1
3 192.168.10.2
4 192.168.10.1
5 192.168.10.2
这里共6个bucket，由两台机器负责，每台机器负责3个bucket。客户端将key hash后，对6取模，找到负责的数据节点，然后和其直接通信。表的大小（行数）通常会远大于集群的节点数，这和consistent hash中的虚拟节点很相似。
假设我们加入了一台新的机器——192.168.10.3，Tair会自动调整对照表，将部分bucket交由新的节点负责，比如新的表很可能类似下表：
0 192.168.10.1
1 192.168.10.2
2 192.168.10.1
3 192.168.10.2
4 192.168.10.3
5 192.168.10.3
在老的表中，每个节点负责3个桶，当扩容后，每个节点将负责2个桶，数据被均衡的分布到所有节点上。
如果有多个备份，那么对照表将包含多列，比如备份是为3，则表有4列，后面的3列都是数据存储的节点。
为了增强数据的安全性，Tair支持配置数据的备份数（COPY_COUNT）。比如你可以配置备份数为3，则每个bucket都会写在不同的3台机器上。当数据写入一个节点（通常我们称其为主节点）后，主节点会根据对照表自动将数据写入到其他备份节点，整个过程对用户是透明的。
当有新节点加入或者有节点不可用时，config server会根据当前可用的节点，重新build一张对照表。数据节点同步到新的对照表时，会自动将在新表中不由自己负责的数据迁移到新的目标节点。迁移完成后，客户端可以从config server同步到新的对照表，完成扩容或者容灾过程。整个过程对用户是透明的，服务不中断。
为了更进一步的提高数据的安全性，Tair的config server在build对照表的时候，可以配置考虑机房和机架信息。比如你配置备份数为3，集群的节点分布在两个不同的机房A和B，则Tair会确保每个机房至少有一份数据。当A机房包含两份数据时，Tair会确保这两份数据会分布在不同机架的节点上。这可以防止整个机房发生事故和某个机架发生故障的情况。这里提到的特性需要节点物理分布的支持，当前是通过可配置的IP掩码来区别不同机房和机架的节点。
Tair 提供了两种生成对照表的策略：
- 负载均衡优先，config server会尽量的把桶均匀的分布到各个data server上，所谓尽量是指在不违背下面的原则的条件下尽量负载均衡：每个桶必须有COPY_COUNT份数据； 一个桶的各份数据不能在同一台主机上；
- 位置安全优先，一般我们通过控制 _pos_mask（Tair的一个配置项） 来使得不同的机房具有不同的位置信息，一个桶的各份数据不能都位于相同的一个位置（不在同一个机房）。
位置优先策略还有一个问题，假如只有两个机房，机房1中有100台data server，机房2中只有1台data server。这个时候，机房2中data server的压力必然会非常大，于是这里产生了一个控制参数 _build_diff_ratio（参见安装部署文档），当机房差异比率大于这个配置值时，config server也不再build新表，机房差异比率是如何计出来的呢？首先找到机器最多的机房，不妨设使RA，data server数量是SA，那么其余的data server的数量记做SB，则机房差异比率=|SA – SB|/SA，因为一般我们线上系统配置的COPY_COUNT=3，在这个情况下，不妨设只有两个机房RA和RB，那么两个机房什么样的data server数量是均衡的范围呢? 当差异比率小于 0.5的时候是可以做到各台data server负载都完全均衡的。这里有一点要注意，假设RA机房有机器6台，RB有机器3台，那么差异比率 = 6 – 3 / 6 = 0.5，这个时候如果进行扩容，在机房A增加一台data server，扩容后的差异比率 = 7 – 3 / 7 = 0.57，也就是说，只在机器数多的机房增加data server会扩大差异比率。如果我们的_build_diff_ratio配置值是0.5，那么进行这种扩容后，config server会拒绝再继续build新表。
一致性和可靠性
分布式系统中的可靠性和一致性是无法同时保证的，因为我们必须允许网络错误的发生。tair 采用复制技术来提高可靠性，并且为了提高效率做了一些优化。事实上在没有错误发生的时候，tair 提供的是一种强一致性，但是在有data server发生故障的时候，客户有可能在一定时间窗口内读不到最新的数据，甚至发生最新数据丢失的情况。
version
Tair中的每个数据都包含版本号，版本号在每次更新后都会递增。这个特性可以帮助防止数据的并发更新导致的问题。
如何获取到当前key的version？
get接口返回的是DataEntry对象，该对象中包含get到的数据的版本号，可以通过getVersion()接口获得该版本号。
在put时，将该版本号作为put的参数即可。 如果不考虑版本问题，则可设置version参数为0，系统将强行覆盖数据，即使版本不一致。
很多情况下，更新数据是先get，然后修改get回来的数据，再put回系统。如果有多个客户端get到同一份数据，都对其修改并保存，那么先保存的修改就会被后到达的修改覆盖，从而导致数据一致性问题,在大部分情况下应用能够接受，但在少量特殊情况下，这个是我们不希望发生的。
比如系统中有一个值”1”, 现在A和B客户端同时都取到了这个值。之后A和B客户端都想改动这个值，假设A要改成12，B要改成13，如果不加控制的话，无论A和B谁先更新成功，它的更新都会被后到的更新覆盖。Tair引入的version机制避免了这样的问题。刚刚的例子中，假设A和B同时取到数据，当时版本号是10，A先更新，更新成功后，值为12，版本为11。当B更新的时候，由于其基于的版本号是10，此时服务器会拒绝更新，返回version error，从而避免A的更新被覆盖。B可以选择get新版本的value，然后在其基础上修改，也可以选择强行更新。
Version改变的逻辑如下：
- 如果put新数据且没有设置版本号，会自动将版本设置成1；
- 如果put是更新老数据且没有版本号，或者put传来的参数版本与当前版本一致，版本号自增1；
- 如果put是更新老数据且传来的参数版本与当前版本不一致，更新失败，返回VersionError；
- put时传入的version参数为0，则强制更新成功，版本号自增1。
version具体使用案例，如果应用有10个client会对key进行并发put，那么操作过程如下：
- get key，如果成功，则进入步骤2；如果数据不存在，则进入步骤3；
- 在调用put的时候将get key返回的verison重新传入put接口，服务端根据version是否匹配来返回client是否put成功；
- get key数据不存在，则新put数据。此时传入的version必须不是0和1，其他的值都可以（例如1000，要保证所有client是一套逻辑）。因为传入0，tair会认为强制覆盖；而传入1，第一个client写入会成功，但是新写入时服务端的version以0开始计数啊，所以此时version也是1，所以下一个到来的client写入也会成功，这样造成了冲突
version分布式锁
Tair中存在该key，则认为该key所代表的锁已被lock；不存在该key，在未加锁。操作过程和上面相似。业务方可以在put的时候增加expire，已避免该锁被长期锁住。
当然业务方在选择这种策略的情况下需要考虑并处理Tair宕机带来的锁丢失的情况。
config server
client 和 config server的交互主要是为了获取数据分布的对照表，当client启动时获取到对照表后，会cache这张表，然后通过查这张表决定数据存储的节点，所以请求不需要和config server交互，这使得Tair对外的服务不依赖configserver，所以它不是传统意义上的中心节点，也并不会成为集群的瓶颈。
config server维护的对照表有一个版本号，每次新生成表，该版本号都会增加。当有data server状态发生变化（比如新增节点或者有节点不可用了）时，configserver会根据当前可用的节点重新生成对照表，并通过数据节点的心跳，将新表同步给data server。当client请求data server时，后者每次都会将自己的对照表的版本号放入response中返回给客client，client接收到response后，会将data server返回的版本号和自己的版本号比较，如果不相同，则主动和config server通信，请求新的对照表。
这使得在正常的情况下，client不需要和configserver通信，即使config server不可用了，也不会对整个集群的服务造成大的影响。有了config server，client不需要配置data server列表，也不需要处理节点的的状态变化，这使得Tair对最终用户来说使用和配置都很简单。
容灾
当有某台data server故障不可用的时候，config server会发现这个情况，config server负责重新计算一张新的桶在data server上的分布表，将原来由故障机器服务的桶的访问重新指派到其它有备份的data server中。这个时候，可能会发生数据的迁移，比如原来由data server A负责的桶，在新表中需要由 B负责，而B上并没有该桶的数据，那么就将数据迁移到B上来。同时，config server会发现哪些桶的备份数目减少了，然后根据负载情况在负载较低的data server上增加这些桶的备份。
扩容
当系统增加data server的时候，config server根据负载，协调data server将他们控制的部分桶迁移到新的data server上，迁移完成后调整路由。
注意：
不管是发生故障还是扩容，每次路由的变更，config server都会将新的配置信息推给data server。在client访问data server的时候，会发送client缓存的路由表的版本号，如果data server发现client的版本号过旧，则会通知client去config server取一次新的路由表。如果client访问某台data server 发生了不可达的情况(该 data server可能宕机了)，客户端会主动去config server取新的路由表。
迁移
当发生迁移的时候，假设data server A 要把 桶 3,4,5 迁移给data server B。因为迁移完成前，client的路由表没有变化，因此对 3, 4, 5 的访问请求都会路由到A。现在假设 3还没迁移，4 正在迁移中，5已经迁移完成，那么：
- 如果是对3的访问，则没什么特别，跟以前一样；
- 如果是对5的访问，则A会把该请求转发给B，并且将B的返回结果返回给client；
- 如果是对4的访问，在A处理，同时如果是对4的修改操作，会记录修改log，桶4迁移完成的时候，还要把log发送到B，在B上应用这些log，最终A B上对于桶4来说，数据完全一致才是真正的迁移完成；
Tair更多功能
客户端
tair 的server端是C++写的，因为server和客户端之间使用socket通信，理论上只要可以实现socket操作的语言都可以直接实现成tair客户端。目前实际提供的客户端有java 和 C++， 客户端只需要知道config server的位置信息就可以享受tair集群提供的服务了。
plugin支持
Tair还内置了一个插件容器，可以支持热插拔插件。
插件由config server配置，config server会将插件配置同步给各个数据节点，数据节点会负责加载/卸载相应的插件。
插件分为request和response两类，可以分别在request和response时执行相应的操作，比如在put前检查用户的quota信息等。
插件容器也让Tair在功能方便具有更好的灵活性。
原子计数支持
Tair从服务器端支持原子的计数器操作，这使得Tair成为一个简单易用的分布式计数器。
item支持
Tair还支持将value视为一个item数组，对value中的部分item进行操作。比如有一个key的value为 [1,2,3,4,5]，我们可以只获取前两个item，返回[1,2]，也可以删除第一个item。还支持将数据删除，并返回被删除的数据，通过这个接口可以实现一个原子的分布式FIFO的队列。
客户端
目前淘宝开源的客户端有C++和Java两个版本，不过tair如果作为存储层，前端肯定还需部署Nginx这样的web服务器，以Nginx为例，淘宝似乎还没有开源其tair模块，春哥（agentzh）也没有公布tair的lua插件，如果想在Nginx里面访问tair，目前似乎还没有什么办法了，除非自己去开发一个模块。
参考文档：
