架构师分享：RocksDB使用技巧之分布式存储扩容演进
来源：58架构师
1. 背景
RocksDB是由Facebook公司开源的一款高性能Key Value存储引擎，目前被广泛应用于业界各大公司的存储产品中，其中就包括58存储团队自研的分布式KV存储产品WTable。
RocksDB基于LSM Tree存储数据，它的写入都是采用即时写WAL + Memtable，后台Compaction的方式进行。 当写入量大时，Compaction所占用的IO资源以及对其读写的影响不容忽视。 而对于一个分布式存储系统来说，扩展性尤为重要，但是在扩展的过程中，又不可避免地会涉及到大量的数据迁移、写入。
本篇文章将会着重介绍WTable是如何利用RocksDB的特性对扩容流程进行设计以及迭代的。
2. 数据分布
WTable为了实现集群的可扩展性，将数据划分成了多个Slot，一个Slot既是数据迁移的最小单位。 当集群的硬盘空间不足或写性能需要扩展时，运维人员就可以添加一些机器资源，并将部分Slot迁移到新机器上。 这就实现了数据分片，也就是扩容。
具体哪些数据被分到哪个Slot上，这是通过对Key做Hash算法得到的，伪算法如下：
SlotId = Hash(Key)/N 其中的N就是Slot的总量，这个是一个预设的固定值。
另外，为了让同一个Slot中所有Key的数据在物理上能够存储在一起，底层实际存储的Key都会在用户Key的前面加上一个前缀： 该Key对应的SlotId。 具体方式是将SlotId以大端法转换成2个字节，填充到Key字节数组的前面。
在RocksDB中，除了level 0外，其余level中的sst文件，以及sst文件内部都是有序存储的。 这样一来，WTable也就实现了单个Slot内数据的连续存储，以及所有Slot整体的有序性。
3. 初始扩容方式
WTable初始的扩容方式如下：
1. 添加一个或多个机器资源，并搭建存储服务节点。
2. 制定迁移计划，得到需要迁移的Slot及其节点信息的列表。
3. 循环迁移每个Slot，迁移每个Slot的流程如下图：
如上图所示，迁移一个Slot可以分成3个阶段： 全量迁移、增量迁移、路由信息切换。
其中全量迁移会在该Slot所在的老节点上创建一个RocksDB的Iterator，它相当于创建了一份数据快照，同时Iterator提供了seek、next等方法，可以通过遍历Iterator有序地获取一定范围内的数据。 对应到这里，就是一个Slot在某一时刻的全量快照数据。 老节点通过遍历Slot数据，将每个Key，Value传输到新节点，新节点写入到自己的RocksDB中。
增量迁移则会利用老WTable节点记录的Binlog，将全量迁移过程中新的写入或更新，传输到新的节点，新节点将其应用到RocksDB。
最后，当发现新老节点上待迁移Slot的数据已经追平之后，则在ETCD上修改该Slot对应的节点信息，也就是路由信息切换。 从此以后，该Slot中数据的线上服务就由新节点提供了。
4. 存在问题
然而，上述的扩容方式在线上运行过程中存在一个问题： 当数据迁移速度较高（如30MB/s）时，会影响到新节点上的线上服务。
深究其具体原因，则是由于一次扩容会串行迁移多个Slot，率先迁移完成的Slot在新节点上已经提供线上服务，而迁移后续的Slot还是会进行全量数据、增量数据的迁移。
通过上个章节的描述，我们可以得知，全量数据是用RocksDB Iterator遍历产生，对于一个Slot来说，是一份有序的数据。 而增量数据则是线上实时写入的数据，肯定是无序的数据。 所以当新节点同时写入这两种数据时，从整体上就变成了无序的数据写入。
在RocksDB中，如果某一个level N中的文件总大小超过一定阈值，则会进行Compaction，Compaction所做的就是： 将level N中的多个sst文件与这些文件在level N+1中Key范围有重叠的文件进行合并，最终生成多个新文件放入level N+1中。 合并的方式可以简单表述为： 如果多个文件中的Key确实有交集，则按照规则进行归并排序，去重，按大小生成多个新sst文件； 如果Key没有交集（说明这次合并，就没有level N+1中的文件参与），则直接将level N中的文件move到levelN+1。
这样我们就可以看出，当大量的整体无序的数据写入迁移新节点时，各level之间的sst文件Key的范围难免会重叠，而其上的RocksDB则会频繁进行大量的，需要归并排序、去重的Compaction（而不是简单的move）。 这势必会占用大量的IO，进而影响读、写性能。
另外，Compaction过多、过重造成level 0层的文件无法快速沉淀到level 1，而同时数据迁移使得新节点RocksDB的写入速度又很快，这就导致level 0中的文件个数很容易就超过阈值level0_stop_writes_trigger，这时则会发生write stall，也就是停写，这时就会严重影响写服务。
5. 扩容方式演进
根据前面的问题描述，我们深入分析了RocksDB Compaction的特点，提出了两点改进思路：
1. 扩容过程中，所有待迁移Slot的全量数据和增量数据要分开传输。
当大量的有序数据写入RocksDB时，由于多个sst文件之间，完全不会出现Key存在交集的情况，所以其进行的Compaction只是move到下一个level，这个速度很快，而且占用IO极少。 所以我们利用这一点，选择把所有Slot的全量数据放在一起迁移，这期间不会有增量数据的打扰，在整体上可以看做是有序的数据。 这就使得在迁移速度很快的时候，也不会占用大量的IO。 而增量数据毕竟是少数，这个过程可以在全量数据传输完成后，以较慢的速度来传输。
2. 考虑到大量数据传输可能会影响线上的服务质量，所以我们决定不再采取每一个Slot数据传输完成后就使其提供线上服务的方案，而是等所有Slot数据都迁移完成之后，再统一提供服务。
根据以上分析，我们最终将扩容分为了3个大的阶段：
1. 全量数据迁移；
2. 增量数据迁移；
3. 路由信息统一切换。
整体流程如下图所示：
经过上述扩容方式的改进，目前线上WTable集群已经可以进行较高速的扩容，比如50~100MB/s，并且在整个流程中不会对线上服务有任何影响。
6. 其他
在制定方案之初，我们也调研过其他的方案，比如老节点传输sst文件给新节点，后者通过IngestExternalFile的方式将sst文件导入RocksDB。
但是WTable的主备同步是通过Binlog进行的，而当主机通过IngestExternalFile的方式导入数据时，并不会有Binlog产生，也就无法通过正常流程同步数据给备机。 因此如果以此方式实现数据迁移，需要增加新的主备同步方式，这对原有流程是一个破坏，另外也需要比较大的工作量，效率方面也无法保证。
因此我们最终利用RocksDB Compaction的特点设计了适合WTable的快速扩容方案，解决了这个痛点。
