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前言

CynosDB是架構在CynosFS之上的分散式關聯式資料庫系統，為最大化利用儲存資源，平衡資源之間的競爭，檢查資源使用情況，需要一套高效穩定的分散式叢集管理系統（SCM: Storage Cluster Manager），SCM使用Etcd作為儲存，利用Etcd Raft演算法完成SCM Leader的選舉，對外提供HTTP API 查詢CynosFS 狀態，負責CynosFS排程，其包含兩類排程：

lPool排程：對SCM 中所有Pool進行排程，每個Pool的排程將根據其狀態，產生相關排程操作，包括Pool的初始化，Pool自動擴縮容，以及Pool的銷燬等。

lSegment Group排程： 每個Pool內有一個SG排程器，負責該Pool內所有SG的排程，根據每個SG的狀態，產生相關的排程操作，包括增減副本，Leader切換，副本遷移，副本離線等。

相關元件和名詞解釋如下：

l**DBEngine：**資料庫引擎，支援一主多從。

lDB Cluster **Manager（DCM）：**資料庫叢集管理，其負責一主多從DB叢集的HA管理。

lStorage Service或**Storage Node（SN）：**Storage Service是個邏輯概念，泛指實際提供服務的Storage Node。SN則是1個具體的服務程式，負責日誌的處理、BLOCK資料的非同步回放、讀請求的多版本支援等，同時還負責將WALLOG備份到Cold Backup Storage。

lSegment（Seg）：Storage Service管理資料塊BLOCK和日誌的最小單元（大小為10GB），也是資料複製的實體。通過一致性協議（Raft）進行同步，形成Segment Group（SG）。

l**Pool：**多個SG從邏輯上構成一個連續的儲存資料BLOCK的塊裝置，供上層的Distributed File System分配使用。Pool和Seg Group是一對多的關係。

lStorage Cluster **Manager（SCM）：**負責管理Storage Service，維護Pool和SG的對應關係，以及Segment Group內部成員的排程。

資料模型

SCM資料模型包含4類資訊：API資訊，系統資訊，排程資訊，儲存服務資訊

lAPI資訊（API Info）：SCM對外提供服務的介面，包括SCM自身執行情況，Pool資訊，以及Storage Service資訊等，提供RESTFul風格的介面（管理類介面）和GRPC介面（資料互動類）。

l系統資訊（System Info）：SCM自身執行的全域性配置資訊，以及多個SCM主從Member資訊，此外還包括外部系統訪問的地址ClientUrls和Member之間的訪問地址PeerUrls等資訊。

l排程資訊（Schedule Info）：SCM內部排程的作業資訊和狀態資訊，包括Pool和SG的排程資訊，以及相關排程產生的任務，這些任務將會通過心跳下發給Storage Service。

l儲存服務（Store Info）：SCM儲存的Storage Service資訊、排程的狀態資訊、Storage Service上報的統計資訊以及內部作業定期計算產生的統計資訊等，主要包括Pool資訊，Storage Service後設資料及Storage Service執行時統計資訊，以及SG相關資訊。

I/O模型

SCM Master主要與如下模組進行互動：

lStorage Service：進行資源排程，接收心跳，下發命令等互動

lDistributed File System：為其提供對應Pool和pool下所屬SG的資訊，以幫助其完成讀寫請求的正確路由

lDCM：為其提供包括建立Pool，檢視Pool資訊，以及SG排程情況等介面。

lSCM Slave：通過Etcd同步SCM的資料，包括排程資訊和資源資訊等，維護高可用性的心跳資訊。

對上圖的詳細說明：

1.SN註冊到SCM，SN的物理佈局資訊通過標籤組labels(每個標籤label採用key-value鍵值對錶示)進行定義，標籤名依次是Region->Zone->Rack->Host，標籤值是具體部署的物理資訊，如北京->北京一區->rack_01->host_01。一個SN負責處理一個SSD裝置上的資料讀寫。

2.DCM開始建立Pool，SCM接收到建立操作後，儲存該Pool的後設資料資訊到Etcd上，然後把該Pool加入到內部排程佇列。

3.Pool排程器：定期從排程佇列上獲取各個Pool來排程，排程包括Pool的初始化(分配第一個SG)，根據Pool狀態及使用情況進行擴縮容，以及Pool的銷燬。

4.SG排程器：每個Pool下對應一個SG排程器，負責該Pool內所有SG的排程，包括SG的初始化，增減副本，SG內leader切換，遷移等，通過裝箱演算法選擇最佳Storage Node作為該SG的成員以及整個儲存資源的排程。

5.Distributed File System會定期同步SG的使用情況，Pool資訊到SCM，並從SCM獲取該Pool的所有SG資訊以及SG的變更情況（如SG內leader切換）。

排程原理

通過SCM傳送心跳資訊來驅動的，包括Store Node（SN）心跳和Segment Group（SG）心跳，心跳訊息採用Protobuf V3定義，GRPC進行互動，由SN發起，SCM負責接收，接收到心跳資訊後，將根據SN執行情況產生相關的排程命令，並通過心跳響應資訊下發給SN，SN接收命令，並執行命令，然後更新相應的狀態資訊，通過下一次心跳傳送給SCM。

Pool排程

Pool排程將對SCM所有Pool進行排程，每隔5秒輪詢一次所有的Pool，檢查是否有新的Pool加入，檢測每個Pool的狀態，根據Pool狀態進行排程，如初始化，擴縮容和銷燬等。

Pool狀態包括：UNINITIALIZE，NORMAL，DISABLE，DELETE,其排程狀態包括：INITIATING，EXPANDING，EXPANDED，IDLE。Pool排程狀態變更如下：

擴容過程如下：

1.當前Pool存在SG0，新增SG1並對SG1進行初始化。

2.當Pool排程器檢查到Pool需擴容時，更新其狀態為EXPANDING，並持久化該Pool資訊，然後新增一個SG的後設資料到Pool的SG內部排程佇列中，並持久化到Etcd中，SG的ID從0開始編號，依次遞增，保持連續性，避免產生空洞，採用一次擴充套件一個SG的方式，完成後更新其狀態為EXPANDED。

3.該Pool的SG排程器進行排程，檢測到有新SG，對該SG進行初始化，補充副本。

4.當Pool排程器檢查到該Pool的狀態為EXPANDED，判斷該新的SG是否建立完成（補充完所有副本），如建立完成則更新Pool的排程狀態為IDLE，否則忽略本次排程。

排程狀態需進行持久化，當SCM發生主從切換時，能恢復到崩潰時的排程狀態。

Pool縮容是擴容的逆過程，從id最大的SG開始往0方向收縮，以免產生空洞，具體的操作由SG排程器執行每個SG回收。

Pool釋放是對該Pool的所有SG進行釋放，回收將從從id最大的SG開始回收，回收過程將通過心跳資訊下發指令給SN，具體的操作由SG排程器執行每個SG的回收。

SG排程

CynosDB每個Pool都對應一個SG排程器，每個排程器按1秒輪詢一次該Pool內的所有SG，每個Segment Group之間是相互隔離的，其排程不受影響，排程主要通過SN的心跳和SG心跳完成的，排程包括segment的新增，刪除，切主等。

SG狀態包括：UNINITIALIZE，NORMAL，DISABLE。

Segment排程狀態包括：UNINITIALIZE，INITIATING，ALLOCATING，ALLOCATED，BOOTSTRAPPING，ADDING，ADDED，REMOVING，RELEASING，排程狀態如下：

SN心跳:SCM接收store的統計資訊，然後下發Segment操作（分配和銷燬Segment）和SG操作（啟動和銷燬Segment Group）給Store，然後Store執行操作，而Store操作的結果通過GRPC API彙報給後設資料。如分配一個Segment給某個Pool的SG過程：

1.儲存Segment的後設資料資訊到KV系統中。

2.接收到Store的心跳資訊。

3.下發分配Segment資訊。

4.接收到分配Segment資訊，進行本地操作，操作完成後直接通過grpc彙報分配結果給後設資料。

SG心跳:SCM獲取SG的心跳資訊，更新SG的後設資料資訊，然後根據SG的狀態，產生相應操作（如新增，刪除副本）或空操作，通過心跳的響應資訊反饋給SN，如有下發操作，SCM通過下一次心跳資訊來檢查本次操作是否成功，如往某個SG中新增一個副本的過程：

1.SCM接收到SG上報的心跳資訊，更新該SG的資訊到KV系統。

2.SCM通過響應下發新增Segment請求給SG。

3.SG接收到請求後，向該SG加入新的Segment，新增後，更新SG資訊，下一次心跳週期傳送更新後的SG資訊.

4.SCM接收到SG的心跳資訊，檢查新增Segment操作是否成功。

裝箱演算法

假設SCM中存在Region1,該Region1存在Zone1,Zone2兩個區域，Zone1有三個機架Rack1,Rack2,Rack3,存在三個主機Host1,Host2,Host3,每個主機有4個SN，每個SN儲存已分配的Segment，選擇一個Store作為SG 副本分四個步驟：篩選，過濾，打分，比較。

1.篩選：根據Pool註冊的標籤資訊(為一組Key-Value陣列)，如[{REGION:Region1},{ZONE：Zone1}]，選擇出可用的PoolStores1集合，如｛S1,S2,S3,S4,S5...,S12｝。

2.過濾：從PoolStores1集合中過濾不符合規則的store資訊，如根據其狀態（線上，離線），工作負載（空閒，忙碌），使用率（CPU，記憶體，磁碟，網路等），以及該Store已在該SG中等進行過濾，得到PoolStores2集合｛S1,S2,S4,S7,S8,S9,S10,S12｝。

3.打分：假設SG0的segment所在的store的集合為{S5,S3}，其中S5為leader所在的store,對PoolStores2中的store進行打分，遍歷PoolStores，針對每個pStore，遍歷SGStores，比較pStore和sgStore的位置，計算pStore的分值pScore,遍歷完SGStores後，得到該pStore在該SG上的分值pScore的總分值，即{100,100,100,100,100,200,200,200}。

4.比較：如選擇的Stores的分數相同，則按Store上Segment數量進一步比較，數量少的為選擇的Store，如選擇出Store10作為為SG0｛S5,S3｝的另一個副本。

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