Databend Meta-Service 架构概述

Databend 的 meta-service 是一个基于 Raft 共识算法的分布式服务。其核心架构可以概括为一个 Raft 应用，如图中虚线框所示。

Raft 协议的主要组成部分包括：

1. 分布式日志（Log）
2. 状态机（State Machine）

分布式日志

日志主要用于记录分布式系统的操作。当一条日志被写入本地并通过网络同步到其他 Raft 节点后，系统会等待日志在多数节点上完成持久化。一旦达到多数派写入，该日志条目就被视为已提交（committed）。

状态机

提交的日志随后会被应用到状态机中。我们的状态机设计相对简洁，由两个主要部分组成：

1. 内存表（MemTable）：一个基于内存的键值排序数组
2. 磁盘快照（Snapshot）：持久化在磁盘上的数据

工作流程

1. 新的日志条目被提交后，会不断地应用到内存中的状态机。
2. 状态机的数据不会立即写入磁盘，而是通过 Raft 的定时机制，定期将整个状态机的数据保存为快照。
3. 数据被保存到快照后，相应的日志条目可以从 Raft 日志中删除，以节省空间。

这种设计既保证了数据的一致性和持久性，又提高了系统的效率和性能。

在系统架构中，持久化组件包括日志（log）和快照（Snapshot）。其他组件主要存在于内存中。值得注意的是，快照系统还包含一个块缓存（block cache）机制。该机制将快照分割成多个块，并加载到内存中，从而提高访问速度。对于数据访问模式较为集中的场景，这种设计可以减少直接访问磁盘的频率，提升整体性能。

Raft 模块是在 datafuselabs/openraft 项目中维护的，而我们的 meta-service 可视为 Raft 的一个具体应用实现。在这个架构中，meta Node 是一个核心数据结构，负责管理 Raft 节点和整个应用程序。它与 Raft 节点建立连接，并向 Raft 发送指令。meta Node 本质上是一个封装层，主要功能是处理接口对接，而非实现复杂的业务逻辑。

系统对外提供两种 API 接口：

1. client API（基于 gRPC ）：主要用于与 databend-query 进行交互，支持读写操作。

2. Raft API：支持 Raft 协议内部通信，包括以下操作：

   • RequestVote
   • AppendEntries
   • Snapshot
   • Forward

这些 API 构成了系统的网络层，在架构图中以蓝色部分表示。

在本系统的读写操作设计中，所有的读写请求都会被路由到 Leader 节点处理。如图所示，虚线框内的部分代表Leader 节点。Leader 节点的 client API 直接接收来自 databend-query 的请求并进行处理。

对于其他非 Leader 节点（Follower），如果它们接收到客户端请求，会立即通过内部的 forward 接口将请求转发至 Leader 节点。在收到 Leader 的响应后，Follower 节点再将结果返回给客户端。这种设计使得客户端无需手动切换节点即可完成请求。

值得注意的是，当 Follower 节点处理转发请求时，会在返回给 databend-query 客户端的响应中包含一个特殊的 header。这个 header 包含以下信息：

1. 指示该请求是被转发处理的
2. 当前 Leader 节点的地址

通过提供这些信息，客户端在后续请求中可以直接访问 Leader 节点，而无需再经过 Follower 节点的转发。这种机制确保了所有的读写请求最终都在 Leader 节点上执行，从而保证了数据的一致性。

接下来，我们将详细探讨系统支持的写操作接口。

Write 操作

Write 操作的核心功能是 upsert（update or insert 的缩写），支持数据的更新和插入。以下是相关的数据结构定义：

pub struct LogEntry {
    pub time_ms: Option<u64>,
    pub cmd: Cmd,
}

pub enum Cmd {
    AddNode { node_id: NodeId, node: Node, },
    RemoveNode { node_id: NodeId },
    UpsertKV(UpsertKV),
    Transaction(TxnRequest),
}

pub struct UpsertKV {
    pub key: String,
    pub seq: MatchSeq,
    //  enum MatchSeq {
    //    Exact(u64),
    //    GE(u64),
    //  }
    pub value: Operation<Vec<u8>>,
    //    enum Operation<T> {
    //        Update(T),
    //        Delete,
    //        AsIs,
    //    }
    pub value_meta: Option<MetaSpec>,
    //              struct MetaSpec {
    //                  expire_at: Option<u64>,
    //                  ttl: Option<Interval>,
    //              }
}

LogEntry 结构体包含一个可选的时间戳 time_ms 和一个 Cmd 枚举类型。

Cmd 枚举定义了可能的命令类型：

• AddNode: 添加节点
• RemoveNode: 移除节点
• UpsertKV: 执行 upsert 操作
• Transaction: 执行事务

UpsertKV 结构体定义了 upsert 操作的详细参数：

• key: 操作的键
• seq: 匹配序列，可能是 MatchSeq::Exact(u64) 或 MatchSeq::GE(u64)
• value: 值操作，可能是 Operation::Update(T)、Operation::Delete 或 Operation::AsIs
• value_meta: 可选的元数据，包含 expire_at 和 ttl 信息

Raft LogEntry: 提供一致的时钟

pub struct LogEntry {
    pub time_ms: Option<u64>,
    pub cmd: Cmd,
}

LogEntry 结构体包含两个关键字段：time_ms 和 cmd。time_ms 字段代表日志条目的生成时间，而 cmd 字段包含了实际需要执行的操作命令。

time_ms 字段在日志条目中的存在具有重要意义。在分布式系统中，超时判断是一个关键操作，而这个判断通常发生在将日志应用到状态机的过程中。如果使用每个节点的本地时间来进行超时判断，可能会导致不一致性问题。这是因为 Leader 节点和 Follower 节点的本地时间可能存在差异，从而在判断某个条目是否超时时可能得出不同的结果。

例如，Leader 节点可能认为某个条目存在，而 Follower 节点认为该条目不存在。这种不一致性可能导致后续事务执行时出现偏差，最终使状态机陷入不一致状态。因此，时间在我们的系统中必须是可以在内部维护和复制的一致条件，而不能被视为随时可能变化的外部条件。

通过在每个日志条目中记录其生成时间，我们可以确保整个分布式状态机的一致性。当状态机应用一条日志时，我们将系统时间视为该日志条目中记录的时间，并基于这个时间进行超时判断。这样，只要应用的日志序列相同，我们就可以保证每次应用后的结果都是一致的。

这种设计确保了时间在系统内部是可控和一致的，从而维护了分布式状态机的整体一致性。

Cmd: 操作内容

pub enum Cmd {
    AddNode { node_id: NodeId, node: Node, },
    RemoveNode { node_id: NodeId },
    UpsertKV(UpsertKV),
    Transaction(TxnRequest),
}

节点变更命令

Cmd 枚举类型定义了系统支持的具体操作。其中，AddNode 和 RemoveNode 这两个变体主要用于内部节点管理，不对外部业务逻辑开放。具体来说，databend-query 不会直接使用这两个命令，它们仅在 meta-service 内部使用。

虽然 Raft 协议提供了成员配置变更（membership config change）算法来实现集群节点的动态变化，但该算法主要关注于确保配置变更前后均能维持连续的仲裁（quorum）。这种设计带来了一些限制：

1. 每次变更都需要提交两个成员配置日志。
2. 必须等待前一个配置日志提交后才能提议下一个，这导致了变更过程的延迟。

然而，在某些场景下，例如仅更改节点的对外服务地址和端口，并不涉及 Raft 成员的实质性变化。这种情况下，使用 Raft 的联合共识（joint consensus）算法进行成员配置变更显得过于复杂和低效。

考虑到这一点，我们选择将节点信息单独存储在状态机中，而不完全依赖 Raft 的成员配置变更流程。这种设计在保证一致性的同时，提供了更高的灵活性和效率，特别是对于那些不影响 Raft 成员关系的节点信息更新操作。

数据更新命令

数据更新操作主要分为两类：单条数据更新（upsert）和多条数据更新（transaction）。transaction 可以视为多个 upsert 操作的集合，同时包含一些必须预先满足的条件。

Upsert

pub struct UpsertKV {
    pub key: String,
    pub seq: MatchSeq,
    //  enum MatchSeq {
    //    Exact(u64),
    //    GE(u64),
    //  }
    pub value: Operation<Vec<u8>>,
    //    enum Operation<T> {
    //        Update(T),
    //        Delete,
    //        AsIs,
    //    }
    pub value_meta: Option<MetaSpec>,
    //              struct MetaSpec {
    //                  expire_at: Option<u64>,
    //                  ttl: Option<Interval>,
    //              }
}

UpsertKV 结构体定义了单条数据更新操作的详细参数：

1. key: 标识需要更新的具体数据项。

2. seq: 全局序列号，类型为 MatchSeq，主要有两种匹配方式：

   • Exact(u64): 要求当前 key 的版本或序列号必须精确匹配指定值，用于支持比较并交换（Compare-And-Swap，CAS）操作。
   • GE(u64): "Greater than or Equal"的缩写，通常用于更新操作，要求记录的序列号大于或等于指定值，确保记录存在。

3. value: 类型为 Operation<Vec<u8>>，描述对值的操作：

   • Update(T): 直接用新值替换原值。
   • Delete: 删除该键值对。
   • AsIs: 保持值不变，通常用于修改 value_meta。

4. value_meta: 可选的元数据，类型为 Option<MetaSpec>，可能包含过期时间（expire_at）和生存时间（TTL）信息。

在 meta-service 中，对外提供的接口将 key 定义为 String 类型，value 定义为 Vec<u8> 类型。

AsIs 操作通常用于节点续期场景。每个节点可能有一个超时时间，通过延长租约（extend lease）来确保节点在超时之前继续存在。这种操作只修改 value_meta 而不改变 value 本身。

Expiration

超时机制主要用于判断计算节点是否存活。在这种场景下，通常采用 AsIs 操作，并更新 value_meta 中的超时信息。value_meta 的主要功能是设置超时时间，包含两个选项：

1. expire_at: 绝对超时时间，指定一个具体的时间点，到达该时间点时立即超时。

2. ttl (Time To Live): 相对超时时间，指定一个时间间隔。

超时时间的计算与 LogEntry 中的 time_ms 字段密切相关。对于 ttl，实际的绝对超时时间是由 time_ms 加上 ttl得出。这个绝对超时时间由 meta-service 的 Leader 节点生成，确保不会出现时间回退问题。

使用 expire_at 可能会遇到一些潜在问题。由于客户端直接指定 expire_at，如果客户端的时间落后于 meta-service 的时间，且指定的超时时间较短，可能会导致数据在写入时就立即超时。这种情况下，写入操作实际上没有产生预期效果，写入完成后客户端可能无法查看到该记录，从而引发一些问题。

因此，除非有特殊需求，通常建议使用 ttl 而非 expire_at。ttl 提供了更可靠和一致的超时机制，能够有效避免因时间差异导致的意外超时问题。

Transaction

message TxnRequest {
  repeated TxnCondition condition = 1;
  repeated TxnOp if_then = 2;
  repeated TxnOp else_then = 3;
}

message TxnCondition {
  string key = 1;
  oneof target { bytes value = 2; uint64 seq = 3; }
  ConditionResult expected = 4;

  enum ConditionResult { EQ = 0; GT = 1; GE = 2; LT = 3; LE = 4; NE = 5; }
}

message TxnOp {
  oneof request {
    TxnGetRequest get = 1;
    TxnPutRequest put = 2;
    TxnDeleteRequest delete = 3;
    TxnDeleteByPrefixRequest delete_by_prefix = 4;
  }
}

Transaction（事务）由一系列条件（conditions）和两组操作序列构成：

1. condition: 定义事务执行的前提条件。
2. if_then: 当所有条件满足时执行的操作序列。
3. else_then: 当任一条件不满足时执行的操作序列。

TxnCondition 结构定义了单个条件的组成：

• key: 指定要比较的键。
• target: 比较目标，可以是键对应的值（value）或序列号（seq）。
• expected: 期望的比较结果，包括等于（EQ）、大于（GT）、大于等于（GE）、小于（LT）、小于等于（LE）和不等于（NE）。

在实际应用中，比较序列号（seq）是最常见的用例。这种方式主要用于实现比较并交换（Compare-And-Swap，CAS）操作，确保在执行后续操作时，键的状态与之前读取时保持一致。

TxnOp 定义了事务中可执行的操作类型：

1. get: 获取键值。
2. put: 写入键值。
3. delete: 删除指定键。
4. delete_by_prefix: 删除指定前缀的所有键。

这些操作类型涵盖了常见的数据操作需求，为事务提供了灵活的操作空间。

通过这种结构，事务机制能够在保证数据一致性的前提下，实现复杂的条件判断和多步骤操作。

数据写入流程

数据写入流程主要包含以下步骤:

1. 将日志条目落盘到本地磁盘
2. 将日志复制到 quorum 数量的节点
3. 确认日志提交状态 - 即后续任何 Leader 都能看到该日志条目
4. 将已提交的日志应用(apply)到状态机

具体的 apply 操作代码如下:

apply()

pub async fn apply(&mut self, entry: &Entry) -> Result<AppliedState, io::Error> {
    let log_id = &entry.log_id;
    let log_time_ms = Self::get_log_time(entry);

    self.clean_expired_kvs(log_time_ms).await?;

    *self.sm.sys_data_mut().last_applied_mut() = Some(*log_id);

    let applied_state = match entry.payload {
        EntryPayload::Normal(ref data) => {
            info!("apply: normal: {} {}", log_id, data);
            assert!(data.txid.is_none(), "txid is disabled");

            self.apply_cmd(&data.cmd).await?
        }
        // ...
    };

    if let Some(subscriber) = &self.sm.subscriber {
        for event in self.changes.drain(..) {
            subscriber.kv_changed(event);
        }
    }

    Ok(applied_state)
}

apply 操作的主要步骤:

1. 获取日志 ID,用于记录 apply 进度,避免重复 apply
2. 从日志条目中获取时间戳,作为清理过期键值对的阈值
3. 清理所有过期的键值对
4. 记录当前 apply 到的日志位置
5. 执行实际的 apply 命令
6. 将此次 apply 产生的所有变更发送给 subscriber

最后一步是为了支持 watcher 接口,当监控的 key 范围发生变化时,可以接收到通知。

读操作

读操作与写操作不同，它不需要经过分布式提交过程，而是直接在每个节点的本地状态机中执行。虽然读操作可以在Leader 或 Follower 节点上进行，但为了减少数据不一致的风险，我们只允许在 Leader 节点上执行读操作。这样做可以最大程度地避免返回不一致的结果，因为使用过期或不一致的数据进行后续操作可能会导致更多的冲突，引发问题或增加重试次数。

如前所述，所有的写操作都在 Leader 节点上执行。以下是读操作的简化抽象实现：

pub struct SMV003KVApi<'a> { sm: &'a SMV003, }

impl<'a> kvapi::KVApi for SMV003KVApi<'a> {
    type Error = io::Error;

    type KVStream<E> = BoxStream<'static, Result<StreamItem, E>>;

    async fn get_kv_stream(&self, keys: &[String]) -> Result<KVStream<Self::Error>, Self::Error> {
        let local_now_ms = SeqV::<()>::now_ms();

        let mut items = Vec::with_capacity(keys.len());

        for k in keys {
            let got = self.sm.get_maybe_expired_kv(k.as_str()).await?;
            let v = Self::non_expired(got, local_now_ms);
            items.push(Ok(StreamItem::from((k.clone(), v))));
        }

        Ok(futures::stream::iter(items).boxed())
    }

    async fn list_kv(&self, prefix: &str) -> Result<KVStream<Self::Error>, Self::Error> {
        let local_now_ms = SeqV::<()>::now_ms();

        let strm = self
            .sm
            .list_kv(prefix)
            .await?
            .try_filter(move |(_k, v)| future::ready(!v.is_expired(local_now_ms)))
            .map_ok(StreamItem::from);

        Ok(strm.boxed())
    }
}

这段代码实现了状态机的 KVApi，包含两个主要接口：get_kv_stream和list_kv。前者用于按键获取值，后者用于按前缀列出键值对。

在执行读操作时，必须处理数据过期的问题。即使一段时间内日志没有更新，某些数据可能已经过期。因此，在读取时需要清理过期的键。然而，需要注意的是，这种过期处理可能并不完全准确。

读操作的不一致性问题

1. 写操作保证输出一致性结果：

   • 在应用新的日志条目之前，过期的键会通过 LogEntry.time_ms 被清理。

2. Leader 切换期间，读操作可能产生不一致结果：

   • 一条带有过期时间的记录可能在Leader-A节点上不可见。
   • 但在切换到Leader-B节点后，同一条记录可能变得可见。

这种不一致性主要发生在 Leader 切换过程中。例如，当从 Leader-A 切换到 Leader-B 时，如果 Leader-B 的本地时间较小，那么在 Leader-A 上不可见的某条记录可能在 Leader-B 上变得可见。这种读操作的不一致性可能导致一些错误的重试操作。

然而，这个问题通常影响较小，因为节点间的数据不一致和 Leader 切换相对较少发生。写操作始终保证完全一致性，而读操作可能在某些情况下产生不一致的结果。

序列号（Seq number）

pub struct SeqV<T = Vec<u8>> {
    pub seq: u64,
    pub meta: Option<KVMeta>,
    pub data: T,
}

序列号（Seq number）可以被理解为一个版本号。在我们的系统中，我们采用了全局序列号而非每个键（per-key）的版本号。每个键作用域内的版本号更新（例如，当前键的版本是 1，下次更新时版本必定是 2）这种方式并未被采用。相反，我们使用全局序列号，因为它提供了更可靠的状态追踪能力。

以下是全局单调递增（Globally monotonic）与每键单调递增（Per-key monotonic）的对比示例：

                  per-key:        globally
insert key=foo -> version=1       seq=1
                                              Read   key=foo: version=1
update key=foo -> version=2       seq=2
delete key=foo -> version=ø       seq=2
insert key=foo -> version=1       seq=3
                                              Update key=foo(version=1)

注意，在第三个操作（DELETE）中，如果使用每键策略，版本号会变为空（ø）。而使用全局序列号策略，序列号仍保持为 2。在下一次插入该键时，每键策略的版本又变回 1，而全局序列号策略中，序列号递增到 3。

这种差异在并发操作中尤为重要。假设另一个线程想要执行比较并交换（CAS）操作，它首先读取键的值，获得版本 1。然后，当它尝试更新时，如果看到键的版本仍为 1，在每键策略中，它无法确定该键是否已经发生变化，这会导致问题。

因此，每键策略难以实现准确的 CAS 操作。而使用全局序列号，系统中任何键的变化都会导致序列号递增。如果序列号发生变化，就明确表示该键已经被修改。这为实现可靠的 CAS 操作提供了基础。

结语

Databend 的 meta-service 采用基于 Raft 的分布式架构,实现了高可用性和数据一致性。其核心组件包括分布式日志和状态机,通过精心设计的写入和读取流程,确保了数据操作的可靠性。

该系统的一些关键特性包括:

1. 使用 Raft 日志中的时间戳来提供一致的时钟,解决了分布式系统中的时间同步问题。
2. 支持灵活的节点管理和数据更新操作,包括单条数据更新(upsert)和多条数据更新(transaction)。
3. 采用全局序列号机制,为实现可靠的比较并交换(CAS)操作提供了基础。
4. 通过只在 Leader 节点执行读操作,最大程度地减少了数据不一致的风险。
5. 实现了高效的过期数据清理机制,保证了数据的时效性。

尽管在某些特定情况下(如 Leader 切换期间)可能存在读操作的不一致性,但系统整体上保证了写操作的完全一致性,为分布式数据管理提供了强有力的支持。

随着 Databend 项目的不断发展,meta-service 将继续优化和改进,以应对更复杂的分布式系统挑战,为用户提供更可靠、高效的元数据管理服务。

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