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Couchbase 介绍

架构&设计模式 water 1050℃ 0评论

在移动互联网时代,我们面对的是更多的客户端,更低的请求延迟,这当然需要对数据做大量的 Cache 以提高读写速度。

术语

节点:指集群里的一台服务器。

现有 Cache 系统的特点

目前业界使用得最多的 Cache 系统主要是 memcached 和 redis。 这两个 Cache
系统都有都有很大的用户群,可以说是比较成熟的解决方案,也是很多系统当然的选择。 不过,在使用 memcached 和 redis
过程中,还是碰到了不少的问题和局限:

  • Cluster 支持不够。在扩容、负载均衡、高可用等方面存在明显不足。

  • 持久化支持不好,出现问题后恢复的代价大。memcached 完全不支持持久化,redis 的持久化会造成系统间歇性的负载很高。

我期待的理想 Cache 系统

良好的 cluster 支持

  • Key 可以动态分散(Auto Sharding)在不同的服务器上,可以通过动态添加服务器节点增加系统容量。

  • 没有单点失效,任何一个单点都不会造成数据不可访问。

  • 读写负载可以均匀分布在系统的不同节点上。

支持异步持久化支持

  • 方便快速恢复,甚至可以直接用作 key/value 数据库。 经常在跟业界朋友交流时,会提到用 key 分段的方法来做容量扩展以及负载均衡。但是用静态的 key 分段会有不少问题:

  • Cache 系统本身及使用 cache
    的客户端都需要预设一个分段逻辑,这个逻辑后期如果需要调整将会非常困难。不能解决单点失效的问题,还需要额外的手段。运维需要更多的人为参与,避免 key 超出现有分区,一旦出现 key 找不到对应服务器,访问直接失败。

最接近需求的系统:Couchbase

基于这些想法,我花了几天时间在 google, stack overflow, quora 上看了很多大家关于 cache cluster 的讨论,找到一个比较新系统 Couchbase。


mem vs cb memcached VS couchbase

Couchbase 的集群设计对等网

Couchbase 群集所有点都是对等的,只是在创建群或者加入集群时需要指定一个主节点,一旦结点成功加入集群,所有的结点对等。

对等网的优点是,集群中的任何节点失效,集群对外提供服务完全不会中断,只是集群的容量受影响。 Smart Client

由于 couchbase
是对等网集群,所有的节点都可以同时对客户端提供服务,这就需要有方法把集群的节点信息暴露给客户端,couchbase
提供了一套机制,客户端可以获取所有节点的状态以及节点的变动,由客户端根据集群的当前状态计算 key 所在的位置。 vBucket

vBucket 概念的引入,是 couchbase 实现 auto sharding,在线动态增减节点的重要基础。

简单的解释 vBucket 可以从静态分片开始说起,静态分片的做法一般是用 key 算出一个 hash,得到对应的服务器,这个算法很简单,也容易理解。如以下代码所示:

servers = ['server1:11211', 'server2:11211', 'server3:11211']
server_for_key(key) = servers[hash(key) % servers.length]

但也有几个问题:

  • 如果一台服务器失效,会造成该分片的所有 key 失效。

  • 如果服务器容量不同,管理非常麻烦。

  • 前面提到过,运维、配置非常不方便。

为了把 key 跟服务器解耦合,couchbase 引入了 vBucket。可以说 vBucket 代表一个 cache 子集,主要特点:

  • key hash 对应一个 vBucket,不再直接对应服务器。

  • 集群维护一个全局的 vBucket 与服务器对应表。

  • 前面提到的 smart client 重要的功能就是同步 vBucket 表。

如以下代码所示:

servers = ['server1:11211', 'server2:11211', 'server3:11211']
vbuckets = [0, 0, 1, 1, 2, 2]
server_for_key(key) = servers[vbuckets[hash(key) % vbuckets.length]]

由于 vBucket 把 key 跟服务器的静态对应关系解耦合,基于 vBucket 可以实现一些非常强大有趣的功能,例如:

  • Replica,以 vBucket 为单位的主从备份。如果某个节点失效,只需要更新 vBucket 映射表,马上启用备份数据。

  • 动态扩容。新增加一个节点后,可以把部分 vBucket 转移到新节点上,并更新 vBucket 映射表。

vBucket 非常重要,以后可以单独写一篇文章分享。

总结

  • Couchbase 的对等网设计,smart client
    直接获取整的集群的信息,在客户端实现负载均衡,整个集群没有单点失效,并且完全支持平行扩展。

  • vBucket 的引入,完全实现了 auto sharding,可以方便灵活的把数据的子集在不同节点上移动,以实现集群动态管理。

  • Couchbase 有一个非常专业的 web 管理界面,并且支持通过 RESTful API 管理,这也是 memcached,
    redis 不能企及的。

  • 如果只是做 key/value 的 cache,Couchbase 可以完全取代 memcached。

  • Couchbase 已经被我们在生产环境中大量采用。

一、概述

Apache
CouchDB和CouchBase两个NoSQL数据库,都是开源、免费的NoSQL文档型数据库,都使用了JSON作为其文档格式。Apache
CouchDB和CouchBase的相似性极高,但也有不少不同之处。基本上CouchBase结合了Apache
CouchDB和MemBase两种数据库的功能特性而构建的。CouchDB的面向文档的数据模型、索引和查询功能与MemBase分布式键值数据模型
相结合、高性能、易于扩展、始终保持接通的能力,这就是CouchBase。

简而言之,
CouchBase = CouchDB + MemBase


是,CouchBase并非CouchDB的新版本,相反,它实际上是MemBase的新版本。CouchBase Server实际上是MemBase

Server的新名字。CouchBase并非CouchDB的替代,而是MemBase的替代版本。CouchBase仍然使用了Memcached协
议,而没有使用CouchDB的RESTful风格的API。同时,CouchDB仍然是CouchDB,是Apache旗下的项目,由Apache负责
维护和演进。而且,CouchDB并非过时的CouchBase,CouchDB仍然是一个比较活跃的开源项目。而CouchBase是另一个完全独立的
项目。

二、CouchDB和CouchBase的相同之处:

1)CouchDB和CouchBase两者都是NoSQL文档数据库,都使用了JSON作为其文档格式。
2)CouchDB和CouchBase两者都使用了相同的索引和查询方法。
3)CouchDB和CouchBase两者都使用了相同的复制系统的方法,除了P2P复制。
尽管CouchBase的开发结合了CouchDB和MemBase的功能特性,但是CouchDB和CouchBase还是有很多的不同之处,尤其是在集群、缓存、许可证等方面。

三、CouchDB和CouchBase的不同之处:

1、集群系统
CouchBase内建了一个集群系统,允许数据自动跨多种节点传播。而CouchDB是一个单节点的解决方案,支持P2P复制技术,它更适合分散式的系统,以及适合不需要把数据传播到多个节点的场景。

2、缓存系统
CouchBase与MemBase相似,它内建了一个基于Memcached的缓存技术,始终如一地提供了亚毫秒级的读写性能,在每个节点上每秒可执行上百万个操作。Apache CouchDB是一个基于磁盘的数据库,通常它更适合超低延迟或吞吐量需求不高的场合。

3、许可证系统
CouchBase不完全是开源、免费的软件。它有两个版本:社区版(免费、不包含最新的Bug修复)和企业版(使用有限制、需经过CouchBase公司的审核,还有一些很多人觉得无法接受的其他条款限制)。
CouchDB是一个开源、免费的软件(没有附带任何条件),它基于Apache License 2.0许可证。

4、其它的不同
CouchBase不支持以下CouchDB的特性:
1)RESTful API(只用于查看,无CRUD操作)
2)P2P复制
3)支持CouchApps
4)Futon(提供了不同的管理界面)
5)文档ID
6)数据库的概念(这里只有桶Bucket)
7)在CouchDB数据库和CouchBase Server之间做复制
8)明确的附件(你必须存储另外的文件作为新键值对)
9)CouchBase中的一切操作都使用了HTTP API,这与CouchDB不同(你需要使用CouchBase Server的SDK或其它实验性的客户端库,无需curl和wget使用经验)
10)CouchDB API(CouchBase使用了Memcached的API来代替)
11)在CouchBase中,不能通过浏览器完成所有工作,而在CouchDB中则可以(使用CouchBase必须写服务器端的应用。)
12)使用CouchBase,开发两层架构的Web应用是不可能的,而使用CouchDB则可以(使用CouchBase必须写服务器端的应用来适配浏览器和数据库,就像关系数据库那样。)    

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