BookKeeper 介紹(1)--簡介

且行且码發表於2024-05-26

BookKeeper 是一個可擴充套件、可容錯和低延遲的儲存服務；本文主要介紹其基本概念及特性。

1、基本概念

在 BookKeeper 中：

  • 日誌的單元是 entry (又名 record)
  • 日誌 entries 流稱為 ledgers
  • 儲存 ledgers 的獨立伺服器稱為 bookies

BookKeeper 被設計為可靠且能夠抵禦各種故障。bookies 可能會崩潰、損壞資料或丟棄資料，但只要在整個集合中有足夠數量的 bookies 正常工作，服務將能夠正常執行。

1.1、Entries

Entries 包含寫入 ledgers 的資料資料，以及一些重要的後設資料。Entries 是寫入 ledgers 的位元組序列，每個 entry 有如下欄位：

欄位 Java 型別 說明
Ledger number long Ledger ID
Entry number long Entry ID
Last confirmed (LC) long 最後提交的 Entry ID
Data byte[] entry 的資料
Authentication code byte[] 訊息認證碼，包含 entry 中的所有其他欄位

1.2、Leaders

Ledgers 是 BookKeeper 中的基本儲存單元。Ledgers 是一系列 entries 的序列，每個 entry 是一系列位元組。entries 按以下方式寫入 ledges：

  • 順序寫入
  • 最多寫入一次

這意味著 ledger 具有僅追加的語義。一旦條目被寫入ledger，就不能修改。確定正確的寫入順序是客戶端應用程式的責任。

1.3、Bookies

Bookies 是處理 ledger（更具體地說是 ledger 的片段）的單個 BookKeeper 伺服器。Bookies 作為集合的一部分執行。一個 bookie 是一個獨立的 BookKeeper 儲存伺服器。獨立的 bookies 儲存 ledger 的片段，而不是整個ledger（出於效能考慮）。對於給定的 ledger L，一個集合是儲存 L 中 entries 的 bookies 組。每當 entries 被寫入 ledger 時，這些 entries 會被分散式地儲存在叢集中的 bookies 的子組中，而不是儲存在所有的 bookies 上。

1.4、後設資料儲存

BookKeeper 後設資料維護著 BookKeeper 叢集的所有後設資料，包括 ledger 後設資料、可用的 bookie 等等。目前，BookKeeper 使用 ZooKeeper 進行後設資料儲存。

1.5、bookies 中的資料管理

Bookies 以一種日誌結構的方式管理資料，透過三種型別的檔案來實現：journals、entry logs、index files。

1.5.1、Journals

一個 journal 檔案包含了 BookKeeper 的事務日誌。在對 ledger 進行任何更新之前，bookie 確保將描述該更新的事務寫入到非易失性儲存中。一旦 bookie 啟動或者舊的 journal 檔案達到檔案大小閾值，就會建立一個新的 journal 檔案。

1.5.2、Entry logs

一個 entry 日誌檔案管理來自 BookKeeper 客戶端的已寫入條目。來自不同 ledgers 的 entries 被聚合並按順序寫入，而它們的偏移量被儲存在 ledger 快取中作為指標，以便進行快速查詢。
一旦 bookie 啟動或者舊的 entry 日誌檔案達到檔案大小閾值，就會建立一個新的 entry 日誌檔案。一旦舊的 entry 日誌檔案與任何活躍的 ledger 都沒有關聯，垃圾收集執行緒就會刪除它們。

1.5.3、Index files

為每個 ledger 建立一個索引檔案，它包括一個頭部和若干固定長度的索引頁，記錄了儲存在 entry 日誌檔案中的資料的偏移量。
由於更新索引檔案會引入隨機磁碟 I/O，索引檔案透過後臺執行的同步執行緒進行延遲更新。這確保了更新的快速效能。在索引頁被持久化到磁碟之前，它們會被放到 ledger 快取以便查詢。

1.5.4、Ledger cache

Ledger 索引頁被快取在記憶體池中，這使得磁碟頭排程的管理更加高效。

1.5.5、Adding entries

當客戶端需要將一個 entry 寫入 ledger 時，entry 需經過如下幾個步驟才能持久化到磁碟上：

  1. entry 被追加到 entry 日誌中
  2. entry 的索引在 ledger 快取中被更新
  3. 與此 entry 更新對應的事務被追加到 journal 中
  4. 響應被髮送給 BookKeeper 客戶端

出於效能考慮，entry 日誌在記憶體中緩衝 entry 並批次提交它們，而 ledger 快取則在記憶體中儲存索引頁並延遲重新整理它們。

1.5.6、Data flush

Ledger 索引頁在以下兩種情況下會重新整理到索引檔案中：

  1. 當達到 ledger 快取的記憶體限制時。沒有更多空間可用來儲存新的索引頁。髒索引頁將被從 ledger 快取中驅逐，並持久化到索引檔案中。
  2. 後臺執行緒負責定期從 ledger 快取中將索引頁重新整理到索引檔案中。

除了重新整理索引頁之外，同步執行緒還負責在 journal 檔案使用過多磁碟空間的情況下滾動 journal 檔案。同步執行緒中的資料重新整理流程如下：

  • 1、在記憶體中記錄 LastLogMark。LastLogMark 表示其之前的所有 entries 都已被持久化（包括索引和 entry 日誌檔案），包含兩個部分：

　　txnLogId（journal 檔案ID）
　　txnLogPos（journal 檔案中的偏移量）

  • 2、從 ledger 快取中重新整理髒索引頁到索引檔案，並重新整理 entry 日誌檔案以確保所有快取的 entries 都已持久化到磁碟。

　　理想情況下，一個 bookie 只需要重新整理包含在 LastLogMark 之前的索引頁和 entry 日誌檔案。但是，在與 journal 檔案對應的 ledger 和 entry 日誌中沒有這樣的資訊。因此，執行緒在這裡完全重新整理了 ledger 快取和 entry 日誌，可能會重新整理 LastLogMark 之後的 entry。儘管重新整理更多 entry 不是問題，但是多餘的。

  • 3、LastLogMark 被持久化到磁碟，這意味著在 LastLogMark 之前新增的 entry 資料和索引頁也已被持久化到磁碟。現在是安全地刪除早於 txnLogId 的 journal 檔案的時候了。

如果在將 LastLogMark 持久化到磁碟之前，bookie 崩潰了，journal 檔案仍然包含可能尚未持久的 entries。因此，當 bookie 重新啟動時，它會檢查 journal 檔案以恢復這些 entries，資料不會丟失。

使用上述資料重新整理機制，當 bookie 關閉時，同步執行緒跳過資料重新整理是安全的。然而，在 entry 記錄器中，它使用一個快取通道來批次寫入 entries，而在關閉時快取通道中可能有資料。bookie 需要確保在關閉時重新整理快取通道中的 entry 資料。否則，entry 日誌檔案將因缺少部分 entries 而損壞。

1.5.7、Data compaction

在 bookies 中，不同 ledgers 的 entries 被交錯儲存在 entry 日誌檔案中。每個 bookie 執行一個垃圾收集器執行緒來刪除未關聯的 entry 日誌檔案，以回收磁碟空間。如果某個 entry 日誌檔案包含尚未刪除的 ledger 的 entries，則該 entry 日誌檔案將永遠不會被移除，佔用的磁碟空間也永遠無法回收。為了避免這種情況，bookie 伺服器在垃圾收集器執行緒中壓縮 entry 日誌檔案，以回收磁碟空間。

有兩種不同頻率執行的壓縮：次要壓縮和主要壓縮。次要壓縮和主要壓縮之間的區別在於它們的閾值和壓縮間隔。

  1. 垃圾收集閾值是未刪除的 ledgers 佔據的 entry 日誌檔案大小的百分比。預設的次要壓縮閾值為 0.2，而主要壓縮閾值為 0.8。
  2. 垃圾收集間隔是執行壓縮的頻率。預設的次要壓縮間隔為 1 小時，而主要壓縮間隔為 1 天。

如果閾值或間隔設定為小於或等於零，壓縮將被禁用。

垃圾收集器執行緒中的資料壓縮流程如下：

  1. 該執行緒掃描 entry 日誌檔案以獲取 entry 後設資料，其中記錄了包含 entry 資料的 ledgers 列表。
  2. 在正常的垃圾收集流程中，一旦 bookie 確定某個 ledger 被刪除，該 ledger 將從 entry 後設資料中刪除，同時 entry 日誌的大小將減少。
  3. 如果 entry 日誌檔案的剩餘大小達到指定的閾值，entry 日誌檔案中活躍的 ledgers 的 entries 將被複制到一個新的 entry 日誌檔案中。
  4. 一旦所有有效 entries 都已複製，舊的 entry 日誌檔案將被刪除。

1.5.8、ZooKeeper metadata

BookKeeper 需要安裝 ZooKeeper 來儲存 ledger 後設資料。構建 BookKeeper 客戶端物件時，需要將 ZooKeeper 伺服器列表作為引數傳遞給建構函式，如下所示：

String zkConnectionString = "127.0.0.1:2181";
BookKeeper bkClient = new BookKeeper(zkConnectionString);

1.5.9、Ledger manager

ledger 管理器處理 ledger 的後設資料（儲存在 ZooKeeper 中）。BookKeeper 提供了兩種型別的 ledger 管理器：flat ledger manager 和 hierarchical ledger manager。這兩種 ledger 管理器都擴充套件了 AbstractZkLedgerManager 抽象類。

A、Hierarchical ledger manager

預設的 ledger 管理器。Hierarchical ledger manager 能夠管理大量的 BookKeeper 賬本（> 50,000）。

在 HierarchicalLedgerManager 類中實現了 hierarchical ledger manager，首先使用 EPHEMERAL_SEQUENTIAL znode 從 ZooKeeper 獲取全域性唯一識別符號。由於 ZooKeeper 的序列計數器採用 %10d（10位數字，用 0 填充，例如 <path>0000000001）的格式，hierarchical ledger manager 將生成的 ID 分為 3 部分：

{level1 (2 digits)}{level2 (4 digits)}{level3 (4 digits)}

這三個部分被用來構成實際的 ledger 節點路徑，以儲存 ledger 後設資料：

{ledgers_root_path}/{level1}/{level2}/L{level3}

例如，ledger 0000000001 被分為三個部分，分別是 00、0000 和 00001，然後儲存在 znode "/{ledgers_root_path}/00/0000/L0001" 中。每個 znode 可以包含多達 10,000 個 ledger，這避免了子列表大於最大 ZooKeeper 資料包大小的問題（正是這個限制促使建立 Hierarchical ledger manager）。

B、Flat ledger manager

自 4.7.0 版本起已被棄用，現在不建議使用。

在 FlatLedgerManager 類中實現了 Flat ledger manager，它將所有 ledger 的後設資料儲存在單個 ZooKeeper 路徑的子節點中。Flat ledger manager 建立順序節點以確保 ledger ID 的唯一性，並將所有節點字首設定為 L。Bookie 伺服器在雜湊對映中管理其自己的活動 ledgers，以便輕鬆查詢已從 ZooKeeper 中刪除的 ledgers，然後對其進行垃圾回收。

2、Bookkeeper 特性

2.1、節點對等架構

建立 ledger 時有 3 個控制資料寫入方式的引數：ensSize 選擇幾個節點儲存這個 ledger，writeQuorumSize 控制資料寫幾個副本（併發寫，不同於 Kafka 或 HDFS，BookKeeper 資料節點之間沒有主從關係，資料同步從服務端移到了客戶端），ackQuorumSize 表示幾個副本 ack 就表示寫入成功。
以下圖為例，createLedger（5,3,2），在儲存 ledger 時，選擇了 5 個節點，但是隻寫 3 個副本，2 個副本 ack 就表示寫入成功。第一個引數一般可用於調整併發度，因為寫 3 個副本是透過輪轉的方式寫入，例如第 1 個 entry 是寫 1-3 節點，第 2 個 entry 寫 2-4 節點，第 3 個 entry 寫 3-5 節點，第 4 個 entry 寫 4-5 和 1 節點這樣輪轉。這種方式即便 3 個副本，也可以把 5 個節點都用起來。

這幾個引數可讓使用者透過機架感知、機房感知等各種方式進行靈活設定。當選好節點後節點之間的排序就已完成，每個 entry 會帶個 index，index 和節點已有繫結關係，例如 index 為1 的，都放在 123上，為 2 的都放在 234 上。透過這種方式可以讓我們知道每個節點存了哪些訊息，當某個節點當機，根據這個節點的位置資訊，把對應 entry 還在哪些節點上有副本的資訊找出來進行多對多的恢復。這麼做的另一個好處是不用再維護後設資料資訊，只需要有每個節點 entry index 資訊，在 createLedger 時記錄好每個節點的順序即可。

createLedger（5,3,2）資料儲存結構是下圖中右邊的結構，如果選擇 ensSize=3，writeQuorumSize=3，資料儲存結構就是下圖中左邊的結構：

綜上，可以透過 ensSize 來調整讀寫頻寬，透過 writeQuorumSize 調整強一致性的控制，透過 ackQuorumSize 權衡在有較多副本時也可以有較低的時延（但一致性就可能有一定的損失）。

2.2、可用性

A、讀可用性

讀的訪問是對等的，任意一個節點返回就算讀成功。這個特性可以把延遲固定在一個閾值內，當遇到網路抖動或壞節點，透過延遲引數避障。例如讀的延遲時間為 2ms，讀節點 3 時超過 2ms，就會併發地讀節點 4，任意一個節點返回就算讀成功，如上面圖 1 中 Reader 部分。

B、寫可用性

在 createLedger 時會記錄每個節點的順序，假如寫到 5 節點當機，會做一次後設資料的變更，從這個時間開始，先進行資料恢復，同時新的 index 中會把 5 節點變為 6 節點，如上面圖 1 中 x 節點替換 5 節點。

2.3、一致性

BookKeeper 底層節點對等設計讓寫入資料的 Writer 成為了協調者，Writer 來儲存資料是否儲存成功的狀態，例如節點是否出現問題、副本夠不夠、在寫入過程中出現當機時透過 fencing 的方式防止腦裂等。所以，Writer 維護了 2 個 index：LastAddPushed 和 LastAddConfirmed。
LastAddPushed 記錄最後寫入的 entry；LastAddConfirmed 記錄最後連續成功寫入的 entry，需要確保 LastAddConfirmed 之前的 entry 都已寫入成功，例如有 id 為 1、2 、3 的 entry，1 和 3 的 entry 先返回成功了，2 的 entry 還未返回，按連續的規則 LastAddConfirmed 是 1 而不是 3。

2.4、讀寫分離

下圖是每個資料節點的資料流轉過程，資料寫入時，Writer 透過 append only 方式寫入到 Journal，Journal 在把資料寫到記憶體的同時會按一定頻率（預設 1ms 或 500 byte）把資料持久化到 Journal Device 裡，寫完後會告訴 Writer 這個節點寫入成功了（持久化到磁碟是預設配置）。

讀的時候，如果讀最新的資料，可以直接從記憶體中返回，如果讀歷史資料，也只去讀資料盤，不會對 Journal Device 寫入有影響。這樣針對有讀瓶頸或寫瓶頸的使用者，可以把 Journal Disk 或 Ledger Disk換成 SSD 盤，提升效能，並且防止讀寫的互相干擾。

參考：
https://bookkeeper.apache.org/docs/overview/
https://cloud.tencent.com/developer/article/2054521

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