2017 November 21 Ceph, Ceph Monitor, Paxos, 源码, 实现, 源码介绍, 分布式存储, 元信息管理, 一致性协议

Ceph Monitor的Paxos实现

Ceph Monitor作为Ceph服务中的元信息管理角色，肩负着提供高可用的集群配置的维护及提供责任。Ceph选择了实现自己的Multi-Paxos版本来保证Monitor集群对外提供一致性的服务。Ceph Multi-Paxos将上层的元数据修改当成一次提交扩散到整个集群，Ceph中简单的用Paxos来指代Multi-Paxos，我们也沿用这一指代。本文将介绍Ceph Paxos的算法细节，讨论其一致性选择，最后简略的介绍代码实现。本文的大部分信息来源于Ceph Monitor相关源码，若有偏颇或谬误，敬请指正。

算法介绍

概览

Paxos节点与Monitor节点绑定，每个Monitor启动一个Paxos。当有大多数的Paxos节点存活时集群可以运行，正常提供服务的过程中，一个节点做为Leader角色，其余为Peon角色。只有Leader可以发起提案，所有Peon角色根据本地历史选择接受或拒绝Leader的提案，并向Leader回复结果。Leader统计并提交超过半数Paxos节点接受的提案。

每个提案都是一组对Monitor元信息的修改操作，序列化后在Paxos层传递。Leader发起提案及Peon接受提案时都会写入本地Log，被提交的Log会最终写入DB，写入DB的提案才最终可见。实现中用同一个DB实例承载Log和最终数据的存储，并用命名空间进行区分。

除去上面提到的Leader及Peon外，Paxos节点还有可能处于Probing、Synchronizing、Election三种状态之一，如Figure 1所示。其中，Election用来选举新的Leader，Probing用来发现并更新集群节点信息，同时发现Paxos节点之间的数据差异，并在Synchronizing状态中进行数据的追齐。当Membership发生变化，发生消息超时或lease超时后节点会通过boostrap进入Probing状态，并向其他节点广播prob消息，所有收到prob消息的非prob或synchronizing节点会同样回到Probing状态。Probing状态收到过半数的对Members的认可后进入Election状态。同时Probing中发现数据差距过大的节点会进入synchronizing状态进行同步或部分同步。更多的内容会在稍后的Recovery，Membership及Log Compaction中介绍。

State Machine

Leader会向所有Peon发送Lease消息，收到Lease的Peon在租约时间内可以直接以本地数据提供Paxos读服务，来分担Leader的只读请求压力。Lease过期的Peon会退回Probing状态，之后通过新一轮的选举产生新的Leader。

Leader会选择当前集群中最大且唯一的Propose Num，简称Pn，每次新Leader会首先将自己的Pn增加，并用来标记自己作为Leader的阶段，作为Ceph Paxos算法中的逻辑时钟（Logical Clock）。同时，每个提案会被指派一个全局唯一且单调递增的version，实现中作为Log的索引位置。Pn及Version会随着Paxos之间的消息通信进行传递，供对方判断消息及发起消息的Leader的新旧。Paxos节点会将当前自己提交的最大提案的version号同Log一起持久化供之后的恢复使用。

常规过程（Normal Case）

常规服务状态下存在一个唯一的Leader以及一个已经确认的大多数节点Quorum，Leader将每个写请求被封装成一个新的提案发送给Quorum中的每个节点，其过程如下，注意这里的Quorum固定：

Leader将提案追加在本地Log，并向Quorum中的所有节点发送begin消息，消息中携带提案值、Pn及指向前一条提案version的last_commit；
Peon收到begin消息，如果accept过更高的pn则忽略，否则提案写入本地Log并返回accept消息。同时Peon会将当前的lease过期掉，在下一次收到lease前不再提供服务；
Leader收到全部Quorum的accept后进行commit。将Log项在本地DB执行，返回调用方并向所有Quorum节点发送commit消息；
Peon收到commit消息同样在本地DB执行，完成commit；
Leader追加lease消息将整个集群带入到active状态。

Normal Case

选主（Leader Election）

Peon的Lease超时或Leader任何消息超时都会将整个集群带回到Probing状态，整个集群确定新的Members并最终进入Election状态进行选主。每个节点会在本地维护并在通信中交互选主轮次编号election_epoch，election_epoch单调递增，会在开始选主和选主结束时都加一，因此可以根据其奇偶来判断是否在选主轮次，选主过程如下：

将election_epoch加1，向Monmap中的所有其他节点发送Propose消息；
收到Propose消息的节点进入election状态并仅对更新的election_epoch且Rank值大于自己的消息答复Ack。这里的Rank简单的由ip大小决定。每个节点在每个election_epoch仅做一次Ack，这就保证最终的Leader一定获得了大多数节点的支持；
发送Propose的节点统计收到的Ack数，超时时间内收到Monmap中大多数的ack后可进入victory过程，这些发送ack的节点形成Quorum，election_epoch加1，结束Election阶段并向Quorum中所有节点发送Victory消息，并告知自己的epoch及当前Quorum，之后进入Leader状态；
收到VICTORY消息的节点完成Election，进入Peon状态；

Election

恢复（Recovery）

经过了上述的选主阶段，便确定了Leader，Peon角色以及Quorum成员。但由于Election阶段的选主策略，新的Leader并不一定掌握完整的commited数据，因此在真正的开始一致性读写之前，还需要经过Recovery阶段，值得注意的是，Ceph Paxos限制提案的发起按version顺序，前一条提案被commit后才能发起后一条，也就是说Recovery的时候最多只能有一条uncommitted数据，这种做法虽然牺牲了性能，但却很大程度的简化了Recovery阶段及整个一致性算法的实现，而这种性能的牺牲可以由Ceph层的聚合提交而弥补。

Leader生成新的更大的新的Pn，并通过collect消息发送给所有的Peon;
Peon收到collect消息，仅当Pn大于自己已经accept的最大Pn时才接受。Peon通过last消息返回自己比Leader多commit的日志信息，以及uncommitted 数据；
Leader收到last消息，更新自己的commit数据，并将新的commit日志信息通过commit消息发送给所有需要更新的Peon；
当接收到所有Peon accept的last消息后，如果发现集群有uncommitted数据，则先对该提案重新进行提交，否则向Peon发送lease消息刷新其Lease；

Recovery

可以看出，当Leader和Peon之间的距离差距较大时，拉取并重放Log的时间会很长，因此在开始选主之前，Ceph Monitor首先通过如Figure 1所示的Synchronizing来将所有参与Paxos节点的日志信息差距缩小到足够小的区间，这个长度由paxos_max_join_drift进行配置，默认为10。Synchronizing过程中Monitor节点会根据Prob过程中发现的commit位置之间的差异进行数据的请求和接收。

成员变化（Membership Change）

Ceph Paxos的成员信息记录在Monmap中，Monmap可以从配置文件中初始化，也可以在后期加入或删除。Ceph Monitor中引入了Probing阶段来实现Memebership的变化，节点启动、新节点加入、Paxos各个阶段发生超时、发现新的prob消息、Monmap信息发生变化时都会通过boostrap进入到Probing状态，这个状态下Monitor节点相互发送prob消息来探测对方存在来生成并交互Monmap信息。而这个过程中整个Paxos集群是停止对外提供服务的。

日志截断（Log compaction）

通过上面的描述已经知道，Ceph Paxos的Log中记录了每个提案的内容，这些内容本质是对节点状态机的一组原子操作。随着集群的正常提供服务，Log数据会不断的增加，而过多的Log不仅会占用存储资源，同时会增加日志回放的时间。所以Ceph中引入了一套机制来删除旧的Log数据。每次提案commit成功后，Monitor都会检查当前的Log数据量，超过某一配置值后便会进行截断（trim），这个保留的长度由paxos_min进行控制，默认是500。Monitor中用first_commited来标识当前保留的最早的Log的version号，trim过程简单地删除一定量Log并修改first_commited内容，需要数据恢复时，如果需要小于first_committed的内容，则会在如Figure 1所示的Synchronizing过程中进行数据的全同步。

一致性选择

1，State Machine System

Ceph monitor选择了State Machine System而不是Primary Backup System。Log中存储的内容以及Paxos节点之间的交互数据都是像Put，Erase，Compacat这样的幂等操作；而在commit后才会真正写入到状态机。

2，每次只能一条提案

Ceph Paxos的提案发起严格有序，并且只有前一条Log commit后才会发起新的提案，这也就保证集群最多只能有一条uncommitted的提案，这也就简化了Recovery的实现逻辑。能这样做也是由于Ceph Monitor上层的聚合提交等减少对一致性协议执行的机制大大降低了Ceph Paxos对性能的要求。

3，固定的（Designated） Quorum

对Paxos算法来说，无论选主过程还是正常的访问过程，都需要保证有大多数节点（Quorum）的成功，通常这个Quorum每次是不固定的，而Ceph Paxos选择在选主成功后就确定的生成一个Quorum集合，之后的所有操作，都只向这节点发出，并等待集合内所有节点的答复，任何的超时都会重新通过bootstrap过程退回到Probing状态。猜测这里更多的是针对实现复杂度的考虑。

4，双向的Recovery方向

由于Ceph Paxos的选主策略仅根据节点地址的大小选择Leader，就导致成为Leader的节点可能并没有最新的数据，因此在提供服务前Leader需要先在Recovery阶段恢复自己和集群的数据，Recovery的数据方向包括从Peon到Leader和Leader到Peon两个方向。

5，使用Lease优化只读请求

Ceph Paxos引入了Lease机制来支持Peon分担Leader压力，在Lease有效的时间内，Peon可以使用本地数据来处理只读请求；Peon在接收到一个新的提案开始是会先取消本地的Lease，提案commit后或Leader的Lease超时后Leader会刷新所有Peon的Lease；

6，Leader Peon同时检测发起新的Election

Leader和Peon之间的Lease消息同时承担了存活检测的任务，这个检测是双向的，Leader长时间收不到某个Peon的Lease Ack，或者Peon Lease超时后依然没有收到来自Leader的刷新，都会触发新一轮的Election。

代码概述

Code

Ceph Monitor中Paxos相关的内容散布在不同的类型中，主要包括Monitor，Election，Paxos几个类：

Monitor中维护了如Figure 1中的节点状态转换，并且在不同阶段调度Election及Paxos中的相关功能。同时Monitor也承担着为其他类提供全局数据的功能。Monitor通过boostrap方法发起Probing生成或修改Monmap，并发现节点之间的数据差异，当差异较大时会调用start_sync进入Synchronizing过程。

Election主要负责选主过程，Monitor会在Probing及Synchronizing过程结束后通过call_election开启选主逻辑。Election选主结束后分别调用Monitor的win_election和lose_election将控制权交还给Monitor。win_election和lose_election中，Monitor完成节点的状态变化，并分别调用Paxos的leader_init和peon_init方法开始Paxos作为Leader或者Peon的逻辑。Paxos由Leader发起Recovery过程，之后进入Active状态准备提供服务。

上层的写操作会通过Paxos的trigger_propose发起。提交成功后，Paxos会调用Monitor的refresh_from_paxos告知上层，同时，上层也可以向Paxos的不同阶段注册回调函数finish_context来完成上层逻辑，如pending_finishers或committing_finishers回调队列。