Yhtenäinen hajautus on menetelmä, joka tekee hajautettujen järjestelmien skaalaamisesta paljon sujuvampaa ja luotettavampaa. Toisin kuin vanhemmat hajautustekniikat, jotka epäonnistuvat palvelimien lisäämisen tai poistamisen yhteydessä, yhtenäinen hajautus vähentää häiriöitä jakamalla uudelleen vain pienen osan datasta. Tämä lähestymistapa varmistaa:

• Minimaalinen tiedonsiirtoKun palvelin lisätään tai poistetaan, vain noin 1/n avaimista uudelleenmääritetään, mikä välttää koko järjestelmän laajuiset häiriöt.
• Parempi kuorman jakautuminenVirtuaalisolmut jakavat työkuorman tasaisesti palvelimille, mikä estää hotspottien muodostumisen ja varmistaa resurssien tehokkaan käytön.
• Parannettu vikasietoisuusJos palvelin kaatuu, vain sen välittömät naapurit ottavat kantaakseen ylimääräisen kuormituksen, mikä pitää järjestelmän vakaana.
• Välimuistin vakausSuurin osa välimuistissa olevasta datasta pysyy ehjänä skaalauksen aikana, mikä vähentää tietokannan painetta ja ylläpitää suorituskykyä.

Yhtenäistä hajautusta käytetään laajalti nykyaikaisissa järjestelmissä, kuten Amazon DynamoDB:ssä, Netflixin CDN:ssä ja Discordissa, ennakoimattomien liikennepiikkien käsittelemiseksi ja luotettavan suorituskyvyn varmistamiseksi. Kartoittamalla palvelimet ja datan ympyränmuotoiseen hajautusrenkaaseen se optimoi skaalautuvuuden ja luotettavuuden hajautetuissa arkkitehtuureissa.

Yhdenmukainen hajauttaminen hajautetuissa järjestelmissä | Helppo selitys + demo

sbb-itb-59e1987

Kuinka johdonmukainen hajauttaminen toimii

Hash-rengas ja avainten määritys

Johdonmukainen hajauttaminen käyttää pyöreä hash-avaruus, jota usein kutsutaan tiivisterenkaaksi, korvaamaan suoraviivaisen modulo-lähestymistavan. Tämä rengas edustaa tiivistearvoja välillä 0 - 2^32-1. Sekä palvelimet että data-avaimet tiivistetään samalla funktiolla ja sijoitetaan renkaaseen.

Kun avainta pyydetään, järjestelmä hajauttaa avaimen tiettyyn paikkaan renkaalla. Sieltä se siirtyy myötäpäivään, kunnes se saavuttaa ensimmäisen syöttömerkin, joka sitten vastaa avaimen tallentamisesta ja hallinnasta. Tämä myötäpäivään suuntautuva sääntö määrittää, mikä palvelin käsittelee mitäkin osaa tiivisteavaruudesta.

Toisin kuin perinteinen hajauttaminen, johdonmukainen hajauttaminen ei sido järjestelmää palvelimien kokonaismäärään. Jokainen palvelin sijaitsee renkaassa tietyssä pisteessä ja omistaa itsensä ja edellisen palvelimen välisen segmentin vastapäivään.

Solmujen lisääminen ja poistaminen

Kun uusi palvelin lisätään, se tiivistetään tiettyyn paikkaan renkaalla ja ottaa avaimet seuraavalta myötäpäivään kulkevalta naapurilta. Tärkeää on, että järjestelmän muu osa pysyy muuttumattomana. Esimerkiksi 100 solmun kokoonpanossa yhden solmun lisääminen vaatisi vain 0,90% dataavaimista liikkua. Perinteinen hajauttaminen sitä vastoin edellyttäisi uudelleensijoittamista 99.01% tiedoista.

Palvelinta poistettaessa prosessi on samanlainen. Jos palvelin menee offline-tilaan tai kaatuu, sen avaimet siirretään seuraavalle palvelimelle myötäpäivään. Tämä kohdennettu uudelleenjako minimoi häiriöt ja välttää laajamittaisen tiedonsiirron ja välimuistin kaatumisen, joita voi esiintyä perinteisillä menetelmillä. Varmistamalla, että vain pieni osa avaimista jaetaan uudelleen, johdonmukainen hajauttaminen tukee skaalautuvia ja luotettavia hosting-järjestelmiä.

Binäärihakupuuta käytettäessä solmujen sijaintien tallentamiseen käytettävän tehokkaan hakuajan kompleksisuuden ollessa O(log N), yhdenmukainen hajauttaminen varmistaa sujuvan suorituskyvyn myös järjestelmän kasvaessa. Tämä virtaviivaistettu datan siirto luo myös pohjan kuormituksen jakautumisen optimoinnille virtuaalisten solmujen välillä.

Virtuaalisolmujen käyttö paremman kuormanjaon saavuttamiseksi

Kuorman tasapainotuksen parantamiseksi, virtuaalisolmut (VNodes) tulevat mukaan kuvioihin. Jos fyysinen palvelin esiintyy vain yhdessä paikassa renkaalla, se voi johtaa epätasaiseen kuormituksen jakautumiseen. Virtuaalisolmut ratkaisevat tämän määrittämällä kullekin fyysiselle palvelimelle useita paikkoja renkaalla.

Tämä strategia jakaa työmäärän tasaisemmin. Kun palvelin kaatuu, sen tehtävät jaetaan useiden palvelimien kesken sen sijaan, että ne kuormittaisivat vain yhtä naapuripalvelinta. Virtuaalisolmut mahdollistavat myös kapasiteettiin perustuva painotus, mikä tarkoittaa, että palvelimet, joilla on enemmän resursseja (kuten enemmän suoritinta tai RAM-muistia), voivat käsitellä suuremman osan pyynnöistä, koska niille on osoitettu enemmän virtuaalisia solmuja.

Tyypillisesti järjestelmät varaavat noin 100 virtuaalisolmua palvelinta kohden, mikä tarjoaa hienosäädetyn hallinnan kuormituksen tasapainottamiseen. Jopa laajoissa käyttöönottoissa tarvittava muisti on minimaalinen. Esimerkiksi 60 000 fyysistä palvelinta ja 6 miljoonaa virtuaalisolmua tukeva hash-rengas tarvitsisi vain noin 12–27 megatavua muistia kartoituksen tallentamiseen. Tämä tehokkuuden ja joustavuuden yhdistelmä tekee virtuaalisolmuista elintärkeän työkalun yhdenmukaisille hajautusjärjestelmille.

Kuinka johdonmukainen hajauttaminen ratkaisee skaalautuvuusongelmia

Vähemmän datan siirtoa skaalattaessa

Yksi yhdenmukaisen hajautuksen merkittävimmistä eduista on se, miten se minimoi datan siirron skaalattaessa ylös tai alas. Perinteisessä modulo-hajautuksessa jopa pieni muutos – kuten yhden palvelimen lisääminen suureen klusteriin – voi vaatia lähes kaikkien avainten uudelleenmäärittelyn. Yhtenäinen hajautus puolestaan jakaa uudelleen vain noin 1/n avaimista, kun uusi palvelin otetaan käyttöön. Tämä vähentää merkittävästi datan sekoittamista verkossa. Esimerkiksi testissä, jossa oli 1 500 kohdetta 80 koneelle (joista joissakin tapahtui muutoksia), yhtenäinen hajautus aiheutti vain 25%:n kasvun uudelleenmääritettyjen parien määrässä, kun taas perinteinen hajautus olisi vaatinut lähes kaikkien avainten siirtämisen. Tämä tehokkuus on ratkaisevan tärkeää verkon ruuhkautumisen ja palvelukatkosten estämisessä, erityisesti ympäristöissä, joissa suurten tietomäärien siirtäminen voi olla häiritsevää. Rajoittamalla datan siirtoa yhtenäinen hajautus varmistaa vakaamman järjestelmän jopa solmujen vikaantumisen aikana.

Parempi suorituskyky ja luotettavuus

Yhtenäinen hajauttaminen parantaa myös suorituskykyä ja luotettavuutta hillitsemällä solmujen vikojen vaikutusta. Perinteisissä modulo-pohjaisissa järjestelmissä yhden solmun vikaantuminen voi vaatia jopa 90%:n avainten uudelleenhajautuksen, mikä johtaa uudelleenlaskentapyyntöjen tulvaan alkuperäisille palvelimille. Yhtenäisen hajautuksen avulla häiriöt lokalisoituvat – vain hajautusrenkaan naapurisolmut kantavat lisäkuorman. Varhaisissa toteutuksissa havaittiin, että hajautusrenkaan läpikäymisestä aiheutuva pieni lisäkuorma oli merkityksetön verrattuna verkkosiirtoihin käytettyyn aikaan.

Merkittävä johdonmukaisen hajautuksen sovellus tulee Akamai Technologiesilta, joka käytti sitä Content Delivery Networkissaan liikenteen jakamiseen vaihtuvien verkkopalvelimien kesken. Tämä lähestymistapa auttoi ratkaisemaan 1990-luvun "slashdotting"-ongelman, jossa äkilliset liikennepiikit kaatuttivat palvelimia. Tim Berners-Lee jopa antoi tälle ratkaisulle tunnustusta näiden liikennepiikkien tehokkaasta ratkaisemisesta.

Välimuistin tehokkuuden ylläpitäminen

Tehokas välimuisti on kriittistä sekä suorituskyvyn että kustannusten hallinnan kannalta, ja johdonmukainen hajauttaminen on avainasemassa välimuistin eheyden ylläpitämisessä. Rajoittamalla tietojen uudelleenmäärittelyn pieneen osaan avaimia, johdonmukainen hajauttaminen auttaa säilyttämään "lämpimiä" välimuisteja, jotka tallentavat usein käytettyjä tietoja. Tämä on olennaista, koska välimuistin puutteet voivat johtaa kalliisiin tietokantakyselyihin ja lisääntyneeseen kuormitukseen taustajärjestelmissä. Pitämällä suurimman osan välimuistissa olevista tiedoista ehjinä skaalaustapahtumien aikana, johdonmukainen hajauttaminen minimoi välimuistin laajamittaisen mitätöinnin riskin.

""Johdonmukainen hajauttaminen parantaa käyttökokemusta minimoimalla välimuistin mitätöinnin ja lyhentämällä latausaikoja sekä vähentämällä kaistanleveyskustannuksia." – Naeem Ul Haq, järjestelmäsuunnittelun asiantuntija

Käytännön esimerkki tästä voidaan nähdä Discordin skaalauspyrkimyksissä heinäkuussa 2017. Tukeakseen 5 000 000 samanaikaista käyttäjää Discord hyödynsi yhdenmukaista hajautusta Elixir-pohjaisessa arkkitehtuurissaan. Tämä mahdollisti tiettyjen chat-huoneiden tehokkaan yhdistämisen oikeisiin isäntäsolmuihin, mikä varmisti sujuvan skaalauksen ja luotettavan suorituskyvyn. Välimuistin tehokkuuden säilyttämisen lisäksi yhdenmukaisen hajautuksen avulla voidaan myös jakaa työkuormia tehokkaasti, vaikka palvelimen ominaisuudet vaihtelisivat.

Erilaisten palvelinkapasiteettien kanssa työskentely

Ympäristöissä, joissa on erilaisia palvelinlaitteistoja, johdonmukainen hajauttaminen käyttää virtuaalisia solmuja kuormituksen tasapainottamiseen kunkin perusteella. virtuaaliset yksityispalvelimet kapasiteetti. Esimerkiksi palvelimelle, jonka kapasiteetti on kaksinkertainen toiseen verrattuna, voidaan määrittää kaksinkertainen määrä virtuaalisia solmuja, jolloin se pystyy käsittelemään suhteellisesti suuremman osan työkuormasta. Määrittämällä virtuaaliset solmut vastaavasti – esimerkiksi 100 solmua vakiopalvelimille ja 200 suuren kapasiteetin palvelimille – järjestelmä saavuttaa tasapainoisen kuormituksen jakautumisen ja minimaaliset vaihtelut. Tämä lähestymistapa varmistaa, että tehokkaammat palvelimet ovat täysin käytössä, kun taas vähemmän suorituskykyiset palvelimet käsittelevät kapasiteettiaan vastaavia työkuormia. Tuloksena on tasapainoinen ja tehokas hosting-järjestelmä, joka mukautuu saumattomasti vaihteleviin laitteisto-ominaisuuksiin.

Yhdenmukaisen hajautuksen toteutusnäkökohtia

Nyt kun olemme käsitelleet edut, sukeltakaamme käytännön yksityiskohtiin, jotka koskevat johdonmukaisen hajautuksen tehokasta toteuttamista.

Hajautusfunktion valitseminen

Valitsemallasi tiivistefunktiolla on ratkaiseva rooli suorituskyvyn ja avainten jakelun kannalta. Useimmissa hosting-ympäristöissä, ei-kryptografiset hash-funktiot Kuten MurmurHash, xxHash tai MetroHash, ne ovat ihanteellisia, koska ne ovat nopeita eivätkä kuormita prosessoria tarpeettomalla tietoturvatyöllä. Kryptografiset tiivistefunktiot (esim. MD5, SHA-1) ovat liioittelua tähän tarkoitukseen ja voivat hidastaa järjestelmääsi.

""Optimaalisen tiivistefunktion johdonmukaiselle tiivisteelle on oltava nopea ja tuotettava tasainen tuloste." – Neo Kim

Hyvä tiivistefunktio varmistaa, että avaimet jakautuvat tasaisesti tiivisteavaruuteen, välttäen hotspot-pisteitä, joissa yksittäinen solmu ylikuormittuu. 32-bittinen hajautusfunktio tarjoaa noin 4,29 miljardia mahdollista sijaintia virtuaalirenkaalla, mikä on runsaasti tilaa törmäysten vähentämiseksi. Yhdenmukaisuuden ylläpitämiseksi kaikkien asiakkaiden ja solmujen on käytettävä sama hash-funktio, varmistaen, että ne ovat yhtä mieltä siitä, miten avaimet vastaavat solmuja. Lisäksi kahden potensseina olevien tiivistetulosten käyttö mahdollistaa nopeammat bittikohtaiset operaatiot, jotka ovat tehokkaampia kuin modulo-laskennat.

Solmujen muutosten hallinta

Klusterin muutosten – kuten solmujen liittymisen tai poistumisen – käsittely on toinen kriittinen osa johdonmukaista hajautusta. Hajautusrenkaan on mukauduttava dynaamisesti häiritsemättä palveluita. Käyttämällä itsetasapainottuva binäärihakupuu (BST) Solmujen sijaintien tallentaminen varmistaa hakutoimintojen tehokkuuden O(log N) monimutkaisuudella, vaikka rengas kehittyisi. Tämä rakenne helpottaa "seuraavan solmun myötäpäivään" nopeaa paikantamista mille tahansa tietylle avaimelle.

Jotta voit hallita päivityksiä turvallisesti, käytä lukija-kirjoittajalukkoja synkronoidaksesi muutokset BST:hen, kun solmuja lisätään tai poistetaan. juoruprotokolla voi myös auttaa mahdollistamalla solmujen tilatietojen säännöllisen vaihtamisen vertaisverkossa. Tämä välttää keskitetyn ohjaimen tarpeen, josta voisi tulla pullonkaula. Yhden naapurin ylikuormituksen estämiseksi solmun vikaantuessa, alkuperäiset osiointimääritykset on satunnaistettava, jotta kuormitus jakautuu tasaisesti klusterin koko osaan. Kun nämä mekanismit ovat käytössä, jatkuva valvonta auttaa ylläpitämään tasapainoa.

Kuormanjakauman valvonta ja viritys

Vaikka hash-rengas olisi hyvin suunniteltu, kuormituksen jakautumisen seuraaminen on olennaista ajonaikaisen epätasapainon estämiseksi. Seuraa säännöllisesti kunkin solmun omistamien avainten lukumäärä mahdollisten ongelmien havaitsemiseksi varhaisessa vaiheessa. Kiinnitä tarkkaa huomiota kullekin fyysiselle solmulle osoitettujen virtuaalisolmujen määrään – noin 100 virtuaalisolmun osoittaminen fyysistä solmua kohden on hyvä lähtökohta epätasapainon havaitsemiselle ja ratkaisemiselle.

""Hyvä sääntö voisi olla laskea 100 virtuaalisolmua jokaista reaalista solmua kohden maksimikapasiteetilla. Tämä antaisi sinulle mahdollisuuden muuttaa minkä tahansa solmun kuormitusta 1%:llä." – Greg Holt

Järjestelmissä, joissa on sekalaisia laitteisto-ominaisuuksia, voit määrittää useampia virtuaalisia solmuja palvelimille, joilla on enemmän suoritin- tai muistiresursseja, varmistaen, että ne käsittelevät suhteellisesti suuremman osan työmäärästä. Yhden solmun ylikuormituksen estämiseksi toteuta rajatut kuormat – Jos solmu ylittää kapasiteettinsa, ohjaa saapuvat pyynnöt varmistussolmuun.

Käytännön esimerkki tästä periaatteesta on OpenStack Swift. Helmikuussa 2011 he osoittivat, että 100 solmulla ja 10 000 000 data-ID:llä yhden solmun lisääminen johdonmukaisella hajautuksella ja 1 000 virtuaalisolmua johti vain 90 423 ID:n (0,901 TP3T) siirtämiseen. Sitä vastoin perinteinen moduulihajautus vaati 9 900 989 ID:n siirtämisen (99,011 TP3T). Tämä havainnollistaa, kuinka johdonmukainen hajautus voi tehostaa skaalausta huomattavasti ja samalla minimoida häiriöt.

Johtopäätös

Yhtenäisen hajautuksen tärkeimmät edut

Yhtenäinen hajauttaminen mullistaa hajautetut järjestelmät, sillä se tarjoaa tehokkaan tavan skaalata uudelleen siirtämällä vain murto-osan (1/n) avaimista palvelimia lisättäessä tai poistettaessa. Toisin kuin perinteinen modulo-hajauttaminen, tämä menetelmä pitää suurimman osan avaimista vakaina, mikä varmistaa korkean välimuistin osumisprosentin ja estää palvelimien ylikuormituksen.

Toinen huomionarvoinen ominaisuus on sen vikasietoisuus. Jos solmu kaatuu, vain kyseiselle solmulle määritetyt avaimet jaetaan seuraavalle hajautusrenkaassa olevalle solmulle, jolloin muu järjestelmä ei muutu. Virtuaalisolmut parantavat tätä prosessia entisestään jakamalla dataa tasaisemmin palvelimien välillä ja mahdollistamalla vahvempien palvelimien suuremman liikenteen käsittelyn. Yhdessä nämä ominaisuudet luovat kehyksen vikasietoisille ja tehokkaille infrastruktuureille.

""Johdonmukainen hajauttaminen tekee avainten jakelusta riippumattoman järjestelmän käyttämien palvelimien määrästä. Näin voimme skaalata ylös tai alas vaikuttamatta koko järjestelmään." – Animesh Gaitonde, Amazonin tekninen johtaja

Käytännön esimerkit korostavat näitä etuja. Esimerkiksi Amazonin DynamoDB luottaa johdonmukaiseen hajautukseen hallitakseen massiivisia liikennepiikkejä, kuten Black Fridayn aikana, ilman ongelmia. Samoin Netflix käyttää sitä Open Connect CDN:ssään sisällön tehokkaaseen yhdistämiseen reunapalvelimille ympäri maailmaa.

Yhdenmukainen hajauttaminen nykyaikaisissa hosting-palveluissa

Tehokkuutensa ja luotettavuutensa ansiosta johdonmukainen hajauttaminen on tullut nykyaikaisten hosting-ratkaisujen kulmakiveksi. Hosting-palveluntarjoajat käyttävät tätä menetelmää skaalatakseen vaivattomasti ja tasapainottaakseen liikennettä maailmanlaajuisten datakeskusten välillä. Mahdollisuus lisätä tai poistaa kapasiteettia aiheuttamatta laajaa datan uudelleenjakoa varmistaa vakaa suorituskyky ja luotettavuus.

Tämä tekniikka sopii täydellisesti nykypäivän hosting-arkkitehtuureihin, joiden on käsiteltävä dynaamisia työkuormia ja toimittava useilla alueilla. Hakuaikojen ollessa niinkin lyhyitä kuin 20 mikrosekuntia ja kyvyn ylläpitää välimuistin tehokkuutta infrastruktuurimuutosten aikana, johdonmukainen hajauttaminen antaa hosting-ratkaisuille mahdollisuuden tarjota vakaita palveluita järjestelmien kehittyessä. Serverion, olemme ottaneet käyttöön yhdenmukaiset hajautusperiaatteet tarjotaksemme joustavaa ja tehokasta hosting-palvelua hajautetuissa datakeskuksissamme.

UKK

Kuinka johdonmukainen hajauttaminen auttaa vähentämään datan liikkumista hajautettujen järjestelmien skaalauksessa?

Yhtenäinen hajauttaminen toimii järjestämällä solmut ja data ympyränmuotoiseen hajautusrenkaaseen. Kun solmu liittyy järjestelmään tai poistuu siitä, vain kyseiseen solmuun ja sen lähimpään naapuriin linkitetty data uudelleensijoitetaan. Tämä menetelmä vähentää merkittävästi siirrettävän datan määrää ja vaikuttaa vain pieneen osaan koko datajoukosta.

Tämä rakenne minimoi skaalauksen aikaiset häiriöt, mikä mahdollistaa sujuvamman ja tehokkaamman prosessin. Se sopii erityisen hyvin hajautettuihin järjestelmiin, jotka hallitsevat jatkuvasti muuttuvia työkuormia.

Kuinka virtuaalisolmut auttavat jakamaan kuormitusta yhdenmukaisessa hajautuksessa?

Virtuaalisolmut tai vnodes, ovat keskeisessä roolissa yhdenmukaisessa hajautuksessa, ja ne auttavat jakamaan kuormitusta tasaisemmin hajautetuissa järjestelmissä. Sen sijaan, että jokainen palvelin olisi linkitetty vain yhteen paikkaan hajautusrenkaassa, palvelimille annetaan useita virtuaalisia sijainteja. Tämä jakaa avaintilan pienempiin, helpommin käsiteltäviin osiin, mikä varmistaa, että liikenne ja tallennustila jakautuvat tasaisemmin kaikille palvelimille.

Näin se toimii: kun avain tiivistetään (hash), se osoitetaan lähimpään vnoosiin, joka liikkuu myötäpäivään tiivisterenkaassa. Useiden vnoodien avulla palvelinta kohden järjestelmä välttää yksittäisen palvelimen ylikuormituksen ja ylläpitää tasapainoista kuormitusta. Palvelimen lisääminen tai poistaminen vaikuttaa vain sen vnoodeihin sidottuihin avaimiin, mikä vähentää siirrettävän datan määrää. Tämä rakenne tukee sujuvaa skaalautumista ja varmistaa luotettavan suorituskyvyn – mikä on kriittistä esimerkiksi seuraaville infrastruktuureille: Serverion’n hosting-alusta, jossa tehokas resurssienhallinta on olennaista johdonmukaisten tulosten saavuttamiseksi.

Kuinka johdonmukainen hajauttaminen parantaa vikasietoisuutta hajautetuissa järjestelmissä?

Yhdenmukainen hajauttaminen vahvistaa vikasietoisuutta jakamalla dataa solmujen välillä tavalla, joka minimoi häiriöt solmun offline-tilassa. Se toimii ympyränmuotoisen hajautusrenkaan kautta, joka yhdistää sekä datan että palvelimet. Kun solmu vikaantuu, vain kyseiseen solmuun linkitetty data siirretään sen lähimmälle naapurille renkaassa. Tämä lähestymistapa vähentää merkittävästi datan liikkumista ja pitää samalla järjestelmän muun toiminnan sujuvana.

Tämä menetelmä ei ainoastaan varmista korkeaa käytettävyyttä, vaan tukee myös skaalautuvuutta. Solmujen lisääminen tai poistaminen aiheuttaa vain vähän häiriötä järjestelmälle. Solmujen vikojen tehokas hallinta tekee johdonmukaisesta hajautuksesta kulmakiven luotettavien hajautettujen järjestelmien luomisessa.

Aiheeseen liittyvät blogikirjoitukset

• Hajautetun hosting-verkon rakentaminen: avainvaiheet
• 5 skaalausstrategiaa kuormituksen tasaajille
• Hajautettu tallennus: Redundanssin hyödyt yrityksille
• Hybridivikasietoisuus lohkoketjuverkoissa