Pinterest大規(guī)模緩存集群的架構(gòu)剖析,pinterest后臺分析

Pinterest大規(guī)模緩存集群的架構(gòu)剖析

作者 Kevin Lin

譯者 朱琪珊

策劃 萬佳

隨著越來越多的用戶到 Pinterest 尋求靈感，Pinterest 核心基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的需求增長的比以往任何時候都快。我們的核心存儲系統(tǒng)之一是位于許多微服務(wù)和數(shù)據(jù)庫前面的分布式緩存層。它處于 Pinterest 基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)棧的底部，負(fù)責(zé)吸收由用戶增長驅(qū)動的絕大多數(shù)后端流量。

Pinterest 的分布式緩存集群建立在 AWS 的 EC2 實例上，由數(shù)千臺機(jī)器組成，緩存了數(shù)百 TB 的數(shù)據(jù)，高峰時，每秒可處理 1.5 億個請求。該緩存層通過降低整個后端技術(shù)棧的延遲，來優(yōu)化頂層性能，并通過減少昂貴的后端所需的容量來提供顯著的成本效率。

本文中，我們將對支持 Pinterest 的大規(guī)模緩存集群的架構(gòu)進(jìn)行深入的技術(shù)研究。

1應(yīng)用數(shù)據(jù)緩存

每個對 Pinterest 的 API 請求都會在內(nèi)部根據(jù)技術(shù)棧分發(fā)到復(fù)雜的 RPC 樹，并在完成其關(guān)鍵路徑前會涉及數(shù)十個服務(wù)。這可能包括查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)（例如 Pinterest 的圖片和收藏板）的服務(wù)，推快遞相關(guān)圖片的推薦系統(tǒng)和垃圾內(nèi)容檢測系統(tǒng)。在這些服務(wù)中，只要其輸入數(shù)據(jù)可以被唯一鍵值表示，就可以將該離散的查詢單元的結(jié)果緩存在臨時存儲系統(tǒng)中，以便將來重用。

在 Pinterest，分布式緩存層的最常見用途是通過后備語義（lookaside semantics）來存儲這類中間計算的結(jié)果。這使得緩存層能吸收一大部分流量。如果沒有緩存層，這些流量會流向涉及復(fù)雜計算和昂貴存儲的服務(wù)和數(shù)據(jù)庫。憑借著毫秒級的尾延遲（tail latency），以及極低的單位請求基礎(chǔ)架構(gòu)成本，這個分布式緩存層提供了一個高性能低成本的后端擴(kuò)展機(jī)制，以滿足 Pinterest 不斷增長的需求。

簡化版的 Pinterest 的 API 請求生命周期：經(jīng)過主要 API 服務(wù)，其依賴項后端以及分布式緩存層。

通過提供分布式緩存層即服務(wù)，應(yīng)用開發(fā)人員可以專注于實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，而不必?fù)?dān)心分布式數(shù)據(jù)的一致性、高可用性或者內(nèi)存容量。緩存層用戶使用通用的路由抽象層，以確保應(yīng)用程序具有容錯性和一致的數(shù)據(jù)視圖。此外，緩存服務(wù)端集群可以獨(dú)立于應(yīng)用層橫向擴(kuò)展，從而透明地調(diào)整內(nèi)存或吞吐量，以適應(yīng)資源使用情況的變化。

2分布式緩存的骨干：Memcached 和 Mcrouter

Memcached 和 mcrouter 構(gòu)成了 Pinterest 分布式緩存基礎(chǔ)架構(gòu)的骨干，并且在 Pinterest 的存儲基礎(chǔ)架構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。Memcached 是由純 C 語言編寫的開源且高效的內(nèi)存鍵值存儲。Mcrouter 是應(yīng)用層的 Memcached 協(xié)議代理，位于 Memcached 集群的前面，并提供強(qiáng)大的高可用性和路由功能。

Memcached 是緩存解決方案中非常有吸引力的選擇：

得益于其異步事件驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)和多線程處理模型，memcached 非常高效且易于進(jìn)行橫向擴(kuò)展以滿足容量需求。

Extstore 通過實例的 NVMe 閃存磁盤上的二級溫存儲（secondary warm storage）層，幫助實現(xiàn)了驚人的存儲效率。

Memcached 精心設(shè)計的簡單體系結(jié)構(gòu)提供了在其之上構(gòu)建抽象層的靈活性，以及簡單易行的水平可擴(kuò)展性以滿足日益增長的需求。一個 Memcached 進(jìn)程本身只是一個簡單的鍵值存儲，根據(jù)設(shè)計，它對其它的 Memceched 進(jìn)程的存在毫無了解，甚至沒有 Memcached 集群的概念。

Memcached 在數(shù)十年的開發(fā)過程中已經(jīng)經(jīng)過準(zhǔn)確性和性能的嚴(yán)格測試，并擁有非常活躍的開源社區(qū)（該社區(qū)還將多個 Pinterest 提交的補(bǔ)丁合并至上游。）。

Memcached 自帶了對 TLS 終止功能的原生支持，從而使我們能通過 TLS 雙向身份驗證的流量（該過程還額外包括內(nèi)部搭建的基于 SPIFFE 授權(quán)訪問控制）來保護(hù)整個集群。

Mcrouter 在 2014 年由 Facebook 開源，在擴(kuò)展其 Memcached 部署方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Mcrouter 也非常適合 Pinterest 的架構(gòu)，原因如下：

通過為應(yīng)用開發(fā)人員提供與整個緩存集群進(jìn)行交互的單個終端節(jié)點(diǎn)，Mcrouter 充當(dāng)了 Memcached 服務(wù)器集群的有效抽象。此外，將 mcrouter 用作整個系統(tǒng)的唯一接口可以確保 Pinterest 上所有服務(wù)和機(jī)器之間有通用及全局一致的流量行為。

Mcrouter 提供了解耦的控制平面和數(shù)據(jù)平面：Memcached 服務(wù)器集群的整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被劃分為多個“池”（邏輯集群），而管理客戶端和服務(wù)器池之間交互的請求路由策略和行為均被獨(dú)立管理。

Mcrouter 的配置 API 為復(fù)雜的路由提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)，包括區(qū)域親和性路由，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余的復(fù)制，多層緩存層和影子流量。

作為使用 memcached 的 ASCII 協(xié)議的應(yīng)用層代理，mcrouter 開放了針對智能協(xié)議的功能，例如請求處理（TTL 修改、運(yùn)行中壓縮等）。

Mcrouter 原生地提供了豐富的可觀察性功能，并且對客戶端應(yīng)用來說不需要任何成本。這為我們整個基礎(chǔ)架構(gòu)中的 Memcached 流量提供了詳細(xì)的可見性。對我們而言，其中最重要的指標(biāo)包括百分位請求延遲，按單個客戶端和服務(wù)器維度劃分的吞吐量，與鍵前綴和鍵模式有關(guān)的請求趨勢以及用于檢測服務(wù)器行為異常的錯誤率。

從 mcrouter 到 Memcached 的請求路由總覽。每個鍵前綴都與一個路由策略相關(guān)聯(lián)，圖中展示了兩個例子。

在實踐中，mcrouter 作為邊車代理（proxy sidecar）被部署在和服務(wù)同一機(jī)器的單獨(dú)進(jìn)程。如圖 2 所示，應(yīng)用程序（可以由任何語言編寫）在回快遞時將 Memcached 協(xié)議請求發(fā)快遞給 mcrouter，然后 mcrouter 作為代理將這些請求發(fā)國際快遞數(shù)千個上游 memcached 服務(wù)器。這種架構(gòu)能使我們在完全托管的緩存服務(wù)器集群中構(gòu)建強(qiáng)大功能的同時，對客戶端服務(wù)保持完全透明。

盡管從 Pinterest 早期開始，memcached 一直就是 Pinterest 基礎(chǔ)架構(gòu)的一部分，我們對其客戶端的拓展策略在這些年來也在不斷進(jìn)化。具體來說，路由和服務(wù)發(fā)現(xiàn)在最開始是通過客戶端庫完成的（這其實很脆弱，而且它還與二進(jìn)制部署緊密耦合）。然后，該方法被內(nèi)部構(gòu)建的一個路由代理取代（該路由代理沒有提供用于高可用性的基礎(chǔ)功能），最終被 mcrouter 取代。

3計算和存儲效率

Memcached 的效率很高：單個 r5.2xlarge EC2 實例每秒能支持超過 10 萬個請求和數(shù)以萬計的并發(fā) TCP 連接，同時不會顯著地增加客戶端的延遲。這使 Memcached 成為 Pinterest 吞吐效率最高的生產(chǎn)服務(wù)。這部分歸功于編寫良好的 C 語言代碼以及其體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)利用了多個工作線程，每個工作線程獨(dú)立地運(yùn)行由”libevent“驅(qū)動的事件循環(huán)，來支持傳入的連接。

在 Pinterest，Memcached 的 extstore 在存儲效率方面取得了巨大的成功，具體的用例包括可視搜索以及個性化搜索推薦引擎。extstore 擴(kuò)展了緩存數(shù)據(jù)容量，在 DRAM 之外增加了掛載在本地的 NVMe 閃存盤，從而將每個實例的可用存儲容量從約 55 GB（r5.2xlarge）增加到將近 1.7 TB（i3.2xlarge），而實例成本只是略有增長。

在實踐中，extstore 大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)用量受限的用例，盡管 DRAM 和 SSD 響應(yīng)時間之間有幾個數(shù)量級的差異，extstore 卻沒有犧牲端到端延遲。extstore 的內(nèi)置調(diào)整工具使我們能找到一個平衡了磁盤 I/O、磁盤到內(nèi)存的重新緩存速率、壓縮頻率和壓縮程度以及客戶端尾部響應(yīng)時間的最佳平衡點(diǎn)。

4高可用性

Pinterest 的所有基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)都是高可用的，我們的緩存系統(tǒng)也不例外。通過利用 mcrouter 提供的豐富的路由功能，我們的 memcached 集群有著一系列的容錯功能：

針對部分失控或完全宕機(jī)的服務(wù)器的自動故障轉(zhuǎn)移。網(wǎng)絡(luò)本身就是不可靠且有損耗的。我們整個緩存架構(gòu)假定這是不可改變的事實，在服務(wù)器不可用或速度緩慢時也可以保持可用性。幸運(yùn)的是，緩存數(shù)據(jù)在本質(zhì)上是瞬態(tài)的，這放寬了對數(shù)據(jù)持久性的要求，而持久性存儲（例如數(shù)據(jù)庫）對數(shù)據(jù)持久性的要求很高。在 Pinterest 中，mcrouter 會自動地在請求響應(yīng)緩慢時，或者某個服務(wù)器宕機(jī)時故障轉(zhuǎn)移到全局共享集群，并且 mcrouter 還會通過主動的運(yùn)行狀況檢查將服務(wù)器加入服務(wù)池中。通過自動故障轉(zhuǎn)移以及一系列的單個服務(wù)器故障的代理層檢測，運(yùn)維人員可以在最短的生產(chǎn)停機(jī)時間內(nèi)識別并更換行為異常的服務(wù)器。

通過透明的跨區(qū)域復(fù)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。我們的關(guān)鍵用例是跨不同的 AWS 可用區(qū)（AZ）進(jìn)行多集群復(fù)制的。這樣就可以在完全丟失可用區(qū)的情況下實現(xiàn)零停機(jī)時間：所有請求都將自動重定向到位于另一個可用區(qū)中的運(yùn)行狀況良好的副本節(jié)點(diǎn)（replica），在該副本節(jié)點(diǎn)中有完整的數(shù)據(jù)冗余副本。

與實際生產(chǎn)流量隔離的影子測試。mcrouter 中的流量路由功能使我們可以進(jìn)行各種彈性測試，包括集群到集群的暗流量以及在實際生產(chǎn)請求中人為加入的延遲和停機(jī)時間的測試，而不會影響生產(chǎn)。

5負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)分片

分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一是水平可伸縮性，這是一種可以橫向擴(kuò)展而不是縱向擴(kuò)展以適應(yīng)額外的流量增長的能力。在 Pinterest，我們絕大多數(shù)的緩存工作量都是受吞吐量限制的，這需要集群中實例的數(shù)量與請求的數(shù)量大致呈線性比例關(guān)系。然而，memcached 本身是一個非常簡單的鍵值存儲，它本身并不會知道集群中的其他節(jié)點(diǎn)。那么每秒數(shù)億個請求是如果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)國際快遞正確的服務(wù)器上的呢

Mcrouter 通過對每個請求的緩存鍵運(yùn)用哈希算法，來將請求確定性地發(fā)國際快遞池中的某一個主機(jī)。這對于在服務(wù)器之間平均分配流量非常有幫助，但是 memcached 有一個獨(dú)特的要求，即它的集群需要任意可伸縮性，也就是說運(yùn)維人員要能夠自由地根據(jù)不斷變化的流量需求，來調(diào)整集群容量，同時最大程度地減少客戶端的影響。

一致性哈希確保了在合格分片的總數(shù)增加或減少時，大多數(shù)鍵空間分區(qū)也可以映射到同一服務(wù)器。高度集中和可預(yù)測的命中率影響，允許系統(tǒng)在擴(kuò)展時對客戶端透明，從而防止容量的小范圍變化導(dǎo)致集群命中率出現(xiàn)災(zāi)難性下降。

一致性哈希算法保證了當(dāng)單一節(jié)點(diǎn)加入現(xiàn)有集群時，大多數(shù)鍵值空間所分配的服務(wù)器不變

客戶端路由層將單個鍵值前綴映射到一個或多個這樣的一致哈希池，這些一致哈希池位于某個路由策略之后，包括跨可用區(qū)復(fù)制集群的可用區(qū)親和性偏好路由，針對位于基于閃存的容量集群后方的基于內(nèi)存集群的 L1L2 路由（具有穿透）等。這樣可以隔離流量，從而按客戶端的用例情況來分配容量，并且可以確保來自 Pinterest 集群中任何客戶端機(jī)器的一致緩存路由行為。

6優(yōu)劣權(quán)衡和我們的考慮

所有足夠復(fù)雜的基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)都具有一個共同特點(diǎn)：充滿了（往往非常細(xì)微的）優(yōu)劣權(quán)衡。在構(gòu)建和擴(kuò)展我們的緩存系統(tǒng)的過程中，我們權(quán)衡了許多方案的成本和收益。如下是最重要的幾點(diǎn)：

中間代理層會產(chǎn)生大量的計算和 I/O 開銷，特別是對于具有嚴(yán)格的延遲 SLO 并且注重性能的系統(tǒng)而言。但是，mcrouter 所提供的高可用性抽象，靈活的路由行為以及許多其他功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比性能損耗更重要。

全局共享的代理配置會給更改部署帶來風(fēng)險，因為在部署時，所有控制平面更改都會應(yīng)用到 Pinterest 的含有數(shù)萬臺機(jī)器的整個集群中。然而，這也確保了全局一致的 memcached 集群拓?fù)浜团c之相關(guān)的路由策略，無論客戶端通過何種方式在 Pinterest 內(nèi)何處進(jìn)行部署。

我們管理維護(hù)著約一百個不同的 Memcached 集群，其中，許多集群具有不同的租戶（tenancy）特征（專用與共享）、硬件實例類型和路由策略。雖然這給團(tuán)隊帶來了相當(dāng)大的運(yùn)維負(fù)擔(dān)，但它也允許每個用例達(dá)到有效的性能和可用性隔離，同時還能通過選擇最適合某個特定工作負(fù)載使用情況的參數(shù)和實例類型來達(dá)到效率優(yōu)化。

在大多數(shù)情況下，一致性哈希方案在上游服務(wù)器池之間進(jìn)行負(fù)載分配的效果很好，即使在鍵空間由類似前綴的鍵簇組成的情況下也是如此。但是，這不能解決熱鍵問題——特定鍵集的請求量的異常增加仍然會產(chǎn)生因服務(wù)器集群中的熱分片所導(dǎo)致的負(fù)載不平衡的問題。

7展望

展望未來，我們希望繼續(xù)提高 Pinterest 緩存基礎(chǔ)架構(gòu)的效率、可靠性和性能。我們的努力包括當(dāng)前的一些實驗性項目，例如將 memcached 核心直接嵌入到主機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)程中，以處理性能關(guān)鍵的用例（這能使 memcached 與服務(wù)流程共享內(nèi)存空間，并消除網(wǎng)絡(luò)和 I/O 開銷）。此外還有可靠性項目，例如設(shè)計一個穩(wěn)健的多區(qū)域冗余解決方案。

原文鏈接：

https://medium.com/pinterestengineering/scalingcacheinfrastructureatpinterest422d6d294ece

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