写了一个分布式名字服务JCM

之前在公司里维护了一个名字服务，这个名字服务日常管理了近4000台机器，有4000个左右的客户端连接上来获取机器信息，由于其基本是一个单点服务，所以某些模块接近瓶颈。后来倒是有重构计划，详细设计做了，代码都写了一部分，结果由于某些原因重构就被终止了。

JCM是我业余时间用Java重写的一个版本，功能上目前只实现了基础功能。由于它是个完全分布式的架构，所以理论上可以横向扩展，大大增强系统的服务能力。

名字服务

在分布式系统中，某个服务为了提升整体服务能力，通常部署了很多实例。这里我把这些提供相同服务的实例统称为集群(cluster)，每个实例称为一个节点(Node)。一个应用可能会使用很多cluster，每次访问一个cluster时，就通过名字服务获取该cluster下一个可用的node。那么，名字服务至少需要包含的功能：

• 根据cluster名字获取可用的node
• 对管理的所有cluster下的所有node进行健康度的检测，以保证始终返回可用的node

有些名字服务仅对node管理，不参与应用与node间的通信，而有些则可能作为应用与node间的通信转发器。虽然名字服务功能简单，但是要做一个分布式的名字服务还是比较复杂的，因为数据一旦分布式了，就会存在同步、一致性问题的考虑等。

What’s JCM

JCM围绕前面说的名字服务基础功能实现。包含的功能：

• 管理cluster到node的映射
• 分布式架构，可水平扩展以实现管理10,000个node的能力，足以管理一般公司的后台服务集群
• 对每个node进行健康检查，健康检查可基于HTTP协议层的检测或TCP连接检测
• 持久化cluster/node数据，通过zookeeper保证数据一致性
• 提供JSON HTTP API管理cluster/node数据，后续可提供Web管理系统
• 以库的形式提供与server的交互，库本身提供各种负载均衡策略，保证对一个cluster下node的访问达到负载均衡

项目地址git jcm

JCM主要包含两部分：

• jcm.server，JCM名字服务，需要连接zookeeper以持久化数据
• jcm.subscriber，客户端库，负责与jcm.server交互，提供包装了负载均衡的API给应用使用

架构

基于JCM的系统整体架构如下：

cluster本身是不需要依赖JCM的，要通过JCM使用这些cluster，只需要通过JCM HTTP API注册这些cluster到jcm.server上。要通过jcm.server使用这些cluster，则是通过jcm.subscriber来完成。

使用

可参考git READMe.md

需要jre1.7+

1. 启动zookeeper
2. 下载jcm.server git jcm.server-0.1.0.jar
3. 在jcm.server-0.1.0.jar目录下建立config/application.properties文件进行配置，参考config/application.properties

4. 启动jcm.server

    java -jar jcm.server-0.1.0.jar
   

5. 注册需要管理的集群，参考cluster描述：doc/cluster_sample.json，通过HTTP API注册：

    curl -i -X POST http://10.181.97.106:8080/c -H "Content-Type:application/json" --data-binary @./doc/cluster_sample.json
   

部署好了jcm.server，并注册了cluster后，就可以通过jcm.subscriber使用：

// 传入需要使用的集群名hello9/hello，以及传入jcm.server地址，可以多个：127.0.0.1:8080
Subscriber subscriber = new Subscriber( Arrays.asList("127.0.0.1:8080"), Arrays.asList("hello9", "hello"));
// 使用轮询负载均衡策略
RRAllocator rr = new RRAllocator();
subscriber.addListener(rr);
subscriber.startup();
for (int i = 0; i < 2; ++i) {
  // rr.alloc 根据cluster名字获取可用的node
  System.out.println(rr.alloc("hello9", ProtoType.HTTP));
}
subscriber.shutdown();

JCM实现

JCM目前的实现比较简单，参考模块图：

• model，即cluster/node这些数据结构的描述，同时被jcm.server和jcm.subscriber依赖
• storage，持久化数据到zookeeper，同时包含jcm.server实例之间的数据同步
• health check，健康检查模块，对各个node进行健康检查

以上模块都不依赖Spring，基于以上模块又有：

• http api，使用spring-mvc，包装了一些JSON HTTP API
• Application，基于spring-boot，将各个基础模块组装起来，提供standalone的模式启动，不用部署到tomcat之类的servlet容器中

jcm.subscriber的实现更简单，主要是负责与jcm.server进行通信，以更新自己当前的model层数据，同时提供各种负载均衡策略接口：

• subscriber，与jcm.server通信，定期增量拉取数据
• node allocator，通过listener方式从subscriber中获取数据，同时实现各种负载均衡策略，对外统一提供alloc node的接口

接下来看看关键功能的实现

数据同步

既然jcm.server是分布式的，每一个jcm.server instance(实例)都是支持数据读和写的，那么当jcm.server管理着一堆cluster上万个node时，每一个instance是如何进行数据同步的？jcm.server中的数据主要有两类：

• cluster本身的数据，包括cluster/node的描述，例如cluster name、node IP、及其他附属数据
• node健康检查的数据

对于cluster数据，因为cluster对node的管理是一个两层的树状结构，而对cluster有增删node的操作，所以并不能在每一个instance上都提供真正的数据写入，这样会导致数据丢失。假设同一时刻在instance A和instance B上同时对cluster c1添加节点N1和N2，那么instance A写入c1(N1)，而instance B还没等到数据同步就写入c1(N2)，那么c1(N1)就被覆盖为c1(N2)，从而导致添加的节点N1丢失。

所以，jcm.server instance是分为leader和follower的，真正的写入操作只有leader进行，follower收到写操作请求时转发给leader。leader写数据优先更新内存中的数据再写入zookeeper，内存中的数据更新当然是需要加锁互斥的，从而保证数据的正确性。

leader和follower是如何确定角色的？这个很简单，标准的利用zookeeper来进行主从选举的实现。

jcm.server instance数据间的同步是基于zookeeper watch机制的。这个可以算做是一个JCM的一个瓶颈，每一个instance都会作为一个watch，使得实际上jcm.server并不能无限水平扩展，扩展到一定程度后，watch的效率就可能不足以满足性能了，参考zookeeper节点数与watch的性能测试 (那个时候我就在考虑对我们系统的重构了) 。

jcm.server中对node健康检查的数据采用同样的同步机制，但node健康检查数据是每一个instance都会写入的，下面看看jcm.server是如何通过分布式架构来分担压力的。

健康检查

jcm.server的另一个主要功能的是对node的健康检查，jcm.server集群可以管理几万的node，既然已经是分布式了，那么显然是要把node均分到多个instance的。这里我是以cluster来分配的，方法就是简单的使用一致性哈希。通过一致性哈希，决定一个cluster是否属于某个instance负责。每个instance都有一个server spec，也就是该instance对外提供服务的地址(IP+port)，这样在任何一个instance上，它看到的所有instance server spec都是相同的，从而保证在每一个instance上计算cluster的分配得到的结果都是一致的。

健康检查按cluster划分，可以简化数据的写冲突问题，在正常情况下，每个instance写入的健康检查结果都是不同的。

健康检查一般以1秒的频率进行，jcm.server做了优化，当检查结果和上一次一样时，并不写入zookeeper。写入的数据包含了node的完整key (IP+Port+Spec)，这样可以简化很多地方的数据同步问题，但会增加写入数据的大小，写入数据的大小是会影响zookeeper的性能的，所以这里简单地对数据进行了压缩。

健康检查是可以支持多种检查实现的，目前只实现了HTTP协议层的检查。健康检查自身是单个线程，在该线程中基于异步HTTP库，发起异步请求，实际的请求在其他线程中发出。

jcm.subscriber通信

jcm.subscriber与jcm.server通信，主要是为了获取最新的cluster数据。subscriber初始化时会拿到一个jcm.server instance的地址列表，访问时使用轮询策略以平衡jcm.server在处理请求时的负载。subscriber每秒都会请求一次数据，请求中描述了本次请求想获取哪些cluster数据，同时携带一个cluster的version。每次cluster在server变更时，version就变更（时间戳）。server回复请求时，如果version已最新，只需要回复node的状态。

subscriber可以拿到所有状态的node，后面可以考虑只拿正常状态的node，进一步减少数据大小。

压力测试

目前只对健康检查部分做了压测，详细参考test/benchmark.md。在A7服务器上测试，发现写zookeeper及zookeeper的watch足以满足要求，jcm.server发起的HTTP请求是主要的性能热点，单jcm.server instance大概可以承载20000个node的健康监测。

网络带宽：

Time              ---------------------traffic--------------------
Time               bytin  bytout   pktin  pktout  pkterr  pktdrp
01/07/15-21:30:48   3.2M    4.1M   33.5K   34.4K    0.00    0.00
01/07/15-21:30:50   3.3M    4.2M   33.7K   35.9K    0.00    0.00
01/07/15-21:30:52   2.8M    4.1M   32.6K   41.6K    0.00    0.00

CPU，通过jstack查看主要的CPU消耗在HTTP库实现层，以及健康检查线程：

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
13301 admin     20   0 13.1g 1.1g  12m R 76.6  2.3   2:40.74 java         httpchecker
13300 admin     20   0 13.1g 1.1g  12m S 72.9  2.3   0:48.31 java
13275 admin     20   0 13.1g 1.1g  12m S 20.1  2.3   0:18.49 java

代码中增加了些状态监控：

checker HttpChecker stat count 20 avg check cost(ms) 542.05, avg flush cost(ms) 41.35

表示平均每次检查耗时542毫秒，写数据因为开启了cache没有参考价值。

虽然还可以从我自己的代码中做不少优化，但既然单机可以承载20000个节点的检测，一般的应用远远足够了。

总结

名字服务在分布式系统中虽然是基础服务，但往往承担了非常重要的角色，数据同步出现错误、节点状态出现瞬时的错误，都可能对整套系统造成较大影响，业务上出现较大故障。所以名字服务的健壮性、可用性非常重要。实现中需要考虑很多异常情况，包括网络不稳定、应用层的错误等。为了提高足够的可用性，一般还会加多层的数据cache，例如subscriber端的本地cache，server端的本地cache，以保证在任何情况下都不会影响应用层的服务。