第六章 分区

对于大数据集或高吞吐量情况，仅复制数据不够，需进行分区（也叫分片）
分区主要为了可扩展性，可将不同分区放于不共享集群的不同节点上，实现大数据集分布在多磁盘、查询负载分布在多处理器

分区与复制

每个节点可能是某些分区的领导者，同时是其他分区的追随者

键值数据的分区

将数据和查询负载均匀分布在各个节点上，若能实现公平分配，理论上多个节点可按比例提升处理数据量和读写吞吐量（暂不考虑复制）。
分区不均问题

• 偏斜：若分区不公平，部分分区数据或查询量多于其他分区，即出现数据偏斜，这会大幅降低分区效率。
• 热点：极端情况下，所有负载集中于一个分区，形成热点，其余节点空闲，导致性能瓶颈出现在该繁忙节点上。

避免热点的方法及弊端

• 随机分配记录：将记录随机分配给节点可平均分配数据，但存在明显缺点，即读取特定值时无法确定其所在节点，需并行查询所有节点。
• 基于主键访问记录的设想：假设采用简单键值数据模型，通过主键访问记录，就像在按字母顺序排序的纸质百科全书中通过标题查找条目那样

根据键的范围分区

• 为每个分区指定一块连续的键范围，但可能分布不均匀
• 优点：范围扫描简单，可以将键作为联合索引来处理，以此在一次查询中获取多个相关记录
• 缺点：某些特定访问模式会导致热点，可以通过在除此键之外的其他作为键的第一部分，避免数据打到同一分区

根据键的散列分区

• 使用散列函数来分区，保证同一个键在不同的进程中有相同的哈希值
• 优点：均匀分区
• 缺点：不能范围查询
• 组合索引：表可使用由多个列组成的复合主键声明，仅第一列作为散列依据，其他列作排序数据的连接索引。虽无法在复合主键第一列按范围扫表，但指定第一列固定值后，可对其他列执行有效范围扫描

负载偏斜和热点消除

• 热带消除：若主键可能引发高热度读写，可在主键开头或结尾添加随机数，如两位数的十进制随机数能将主键分散为 100 种不同形式，使其存储在不同分区。
• 存在问题：对主键进行分割后，读取操作需做额外工作，要从所有分散的主键分布中读取数据并合并。而且此技术会增加额外记录，仅对少量热点主键添加随机数较为合理，对绝大多数写入吞吐量低的主键而言是不必要开销，还需有方法跟踪哪些键需被分割。

分区与次级索引

二级索引：不能唯一的标识记录，而是一种搜索记录中出现特定值的方式
存在问题
- 二级索引的问题是他们不能整齐的映射到分区
- 两种用二级索引对数据库进行分区的方法：基于文档的分区和基于关键词的分区

基于文档的二级索引进行分区

特点

• 分区完全独立：每个分区维护自己的二级索引，仅覆盖该分区中的文档，只需处理包含该文档ID的分区即可
• 文档分区索引也称本地索引（local index）
• 查询时需要查询所有分区，合并所有的结果返回

缺点

• 查询分区数据库的方法有时称为分散或聚焦
• 二级索引查询代价较高，即使并行查询分区，分散/聚焦容易导致尾部延迟放大

MongoDB、Riak、Elasticsearch、VoltDB等都使用文档分区二级索引

根据关键词Term的二级索引

• 构建一个覆盖所有分区数据的全局索引，对全局索引也进行分区，称为关键词分区，通过关键词本身（范围扫描有优势）或者它的散列进行索引分区（负载均衡有优势）
• 优点：读取更有效率：不需要手机/分散所有分区，客户端只需要想包含关键词的分区发出请求
• 缺点
  • 写入速度减慢且较为复杂，因为写入单个文档会影响索引的所个分区（文档中的每个关键词可能位于不同的分区或者不同的节点上）
  • 需要跨分区的分布式事务
  • 实践中，对全局二级索引的更新通常是异步的，即写入后不久读取索引，所做更改可能尚未反映在索引中

分区再平衡

再平衡：将负载从集群中的一个节点向另一个节点移动的过程
要求：

• 再平衡后，负载（数据存储、读取和写入请求）应该在集群中的节点之间公平的共享
• 再平衡发生时，数据库应该继续接受读取和写入
• 节点之间之移动必须的数据，以便快速再平衡，并减少网络和磁盘I/O负载

平衡策略

hash mod N

节点数目变化时，需对所有进行mod运算，再平衡过于昂贵

固定数量的分区

• 创建比节点更多的分区，并为每个节点分配多个分区
• 新节点加入，可以从当前每个节点中窃取一些分区，直到分区再次公平分配
• 只有分区在节点之间移动，分区数量不改变，key所指定的分区也不改变，只改变分区所在节点
• 为更强大的节点分配更多的分区，强制这些节点承载更多的负载。在Riak、Elasticsearch、Couchbase等中使用这种再平衡方法
• 分区数量在数据库第一次建立时确定，。但是每个分区有管理开销，选择太大的数字也会适得其反
• 分区的大小和集群中的数据总量成比例增长，分区非常大再平衡和从节点故障恢复很昂贵；分区非常小，会产生太多的开销。
• 问题：如果出现边界错误，可能导致一个分区中所有数据或其他分区中的所有数据为空

动态分区

• 动态分区：按键的范围进行分区的数据库，当分区增长到超过配置的大小，就会分为两个分区，每个分区约占一般的数据库；如果大量数据被删除并且分区缩小到某个阈值下，可以将其与相邻分区合并
• 一个节点可以处理多个分区，大型分区拆分后，可以将其中一半转移到另一分区来平衡负载。【HBase中，分区文件的传输通过HDFS实现】
• 优点：分区数量适应总数据量
• 问题：空数据库从一个分区开始，所有写入操作都由单个节点处理，其他节点处于空闲状态，通过预分割解决
• 预分割：在一个空的数据库上配置一组初始分区，但在键范围分区情况中，需提前知道键是如何进行分配的
• 动态分区适用场景：范围分区、散列分区

按节点比例分区

• 动态分区和固定数量分区，分区数量均与节点数量无关
• 按节点比例分区：每个节点具有固定数量的分区
  • 节点数不变，分区大小与数据集大小成比例增长
  • 节点数改变，分区大小将变小
• 新节点加入集群，随即选择固定数量的现有分区进行拆分，占有这些分区中每个分区的一般，另一半留在原地
• 虽然随机化可能导致不公平分割，但在较大数量分区的情况下（如 Cassandra 中默认每个节点有 256 个分区），新节点最终能从现有节点获得相对公平的负载份额。并且 Cassandra 3.0 还引入了另一种再分配算法来避免不公平分割。
• 随机选择分区边界需要基于散列的分区，即从散列函数产生的数字范围中挑选边界

运维：手动还是自动再平衡

• 完全自动再平衡缺点
  • 如果一个节点过载，并且对请求的响应暂时很慢，这时自动再平衡，会对已经超负荷的节点，其他节点和网络造成额外的负载，从而使得结果更糟糕，可能导致级联失败
  • 结果不可预测

请求路由

• 问题：分区重平衡后，分区对节点的分配发生变化，客户想要发出请求时，如何知道要连接哪个节点？
• 服务发现
  • 允许客户连接任何节点（例如，通过循环策略的负载均衡Round-Robin Load Balancer），如果该节点有该分区，直接处理，否则将请求转发，并接受回复传递给客户端
  • 将所有来自客户端的请求发送至路由曾，路由层进行相应转发，路由层仅负责分区的负载均衡
  • 要求客户端知道分区和结点的分配，然后客户端直连

• 关键问题：路由层/客户端/节点如何知道分区-节点之间的分配关系变化
• 解决方案
  • 利用Zookeeper等。Zookeeper维护分区到节点的可靠映射，参与者在Zookeeper订阅消息，分区分配发生改变，Zookeeper通知路由层，HBase、Kafak使用
    **
  • gossip protocol：传播集群状态的变化。请求可以发送到任意节点，该节点会转发到包含所请求的分区的适当节点。增加了数据库节点之间的复杂性，但避免对外部依赖，Cassandra和Riak使用
  • moxi路由层：从集群节点了解路有变化，Couchbase使用

执行并行查询

通常用于分析的大规模并行处理（MPP, Massively parallel processing） 关系型数据库产品在其支持的查询类型方面要复杂得多。一个典型的数据仓库查询包含多个连接，过滤，分组和聚合操作。
MPP查询优化器将这个复杂的查询分解成许多执行阶段和分区，其中许多可以在数据库集群的不同节点上并行执行。涉及扫描大规模数据集的查询特别受益于这种并行执行。