ssd-cache

4.1.1   redis-vm

• http://antirez.com/news/52
• http://blog.nosqlfan.com/html/1047.html

redis在2.2-2.4曾经做过vm功能, 来将内存扩展到磁盘, 但是不久就被废弃了, 原因主要是造成性能不稳定.

存在的问题:

• slow restart: 重启太慢
• slow saving: 保存数据太慢
• slow replication: 上面两条导致 replication 太慢
• complex code: 代码过于复杂
• 2.4 之后就已经从redis代码中移除了.

作者的观点:

• have Redis do what it does best - very quickly serve data from RAM.
• 估计当时的测试, 使用的磁盘都是hdd, 那当然性能糟糕, 如果换成ssd应该会好些.

4.1.2   redis-storage

• 把leveldb嵌入到redis.

• 完成度较高, 新增了一些rl_开头的命令:

  rl系列命令：(同时操作redis和leveldb系列命令)
  =======string数据操作======
  rl_get key            (从redis或leveldb取值, 优先顺序：redis > leveldb)
  rl_getset key         (返回同rl_get, 当leveldb有值，redis无值时，会回写到redis)
  ...
  

• 读: 先从redis读取, 如果redis没有，则到leveldb读取。

• 写: 先写到leveldb中，写成功了，再写到redis中

• 问题:

  • 这个项目的目的是把redis的内存扩大2-5倍, 把redis作为leveldb的cache+store. 两份storage很诡异.

  • 作者设计的时候, 应该是考虑到兼容redis, 客户端尽量不需要改动, 冷key会自动淘汰,

    • 但是实际上提供了两套命令, 客户端需要根据情况, 指定只写redis/只写leveldb还是双写. 就很麻烦.

  • 没有expire支持, leveldb过大后, 怎么办?

  • 完全没有考虑到主从的设计.

参考:

• https://github.com/qiye/redis-storage
• http://www.guangla.com/post/2014-03-17/40061277735 (shenzhe)

4.1.3   小结

基于redis的改进, 主要有这么几种:

1. 增加新命令
2. 在key被淘汰时写磁盘
3. key一直在内存, 把某些value放磁盘(redis-vm的实现方案)

如果基于redis来实现, 存在下面一些问题:

1. 主从同步很可能被破坏(现有全量同步机制需要重新改写)
2. 重启时加载数据的机制.
3. 不能支持全部命令, 容易造成混淆.
4. 不能被主流所接受

如果不基于redis代码来做:

1. 主从同步需要重做
2. sentinel机制需要重做.

4.2.1   LevelDB

LevelDB是BigTable的单机存储, LSM-Tree 思想, 写操作都转化为顺序写.

特点:

• KV引擎

• 支持SCAN(iteration)

• Snappy压缩

• 随机读写能达到 10w/s 的性能

  • 这里性能是小数据量下, 还不刷盘的情况
  • 实际写能到10w, 读取决于存储介质.

• 支持Bloom Filter, 能在一定程度上优化读性能.

4.2.2   RocksDB(facebook)

• 基于LevelDB改进
• 更好的利用多核等
• 代码包比LevelDB复杂.

4.2.3   Berkley DB

• 历史悠久的嵌入式数据库

• 支持事务, 细粒度锁.

• 支持多种算法

  • B+树
  • Hash
  • Heap(更节约空间)
  • Recno
  • Queue(定长record)

• 对一些老的UNIX数据库, 如dbm, ndbm接口兼容.

http://docs.oracle.com/cd/E17076_02/html/programmer_reference/am_conf.html

4.2.4   nessDB(国人开发)

• 支持事务 特点

• 自己实现存储引擎, 不是基于LevelDB

  • 3.0 提供 Buffered-Tree index (Toku的FT-Tree)
  • 作者是TokuDB的贡献者.

• 2011-2014持续开发, 目测代码质量很高.

• 本身是一个库.

• 还提供一个服务端，支持Redis的 PING, SET, MSET, GET, MGET, DEL, EXISTS, INFO, SHUTDOWN 命令，

  • 现在已经专注于实现引擎, 不提供server功能了.

• 整个引擎基于LSM-Tree思想开发，对随机写非常友好。为提高随机读，nessDB使用了Level LRU和Bloom Filter策略。

• 引擎是自己开发的, 还需要时间验证.

4.2.5   小结

• 较老的存储引擎都基于B+树或Hash实现, 写性能差.
• 较新的存储引擎基于LSM-Tree, Log Structed Hash, FT-Tree之类新的数据结构, 针对写进行优化, 写性能能得到很大改善
• 读操作主要取决于底层磁盘能提供的 随机读IOPS , 通过Bloom Filter等能有一定的优化.

4.3.1   ssdb

• ssdb 是一个基于leveldb的kv存储, 提供兼容redis的协议

• 支持String, Hash, Zset, Queue几种数据结构.

• 支持Expire和主从同步

• ssd上写性能稳定在3.8wqps, 不会随着写数据增多而变差, 和hdd差不多,

• 读性能稳定在5000qps, 不能充分发挥硬件性能, 这主要是由于读操作是单线程顺序执行.

• 主要问题:

  • 读性能问题(多线程可达到15000)
  • 所有expire的key记录在内存
  • 兼容问题(expire/ttl/del都有问题, scan类设计上和redis不同)

详细参考:

• SSDB代码阅读笔记
• SSDB benchmark

4.3.2   fatcache

• Memcache on SSD

• Log-Structure Hash结构.

• 不能持久化(元数据不落盘, 重启后数据丢失)

• 性能不错, Initial performance results with fatcache 100K sets/sec, 40K gets/sec on a single SSD

• 读不命中时效率高(所有key记录在内存中)

• 写裸盘. 需要root.

• 主要问题:

  • 不持久化

  • key都放在内存, 如果10亿条的话, 每条key 32字节, 就需要32G. 此时存的数据(100字节/kv) 大约100G.

    • 所以这适合value较大的情况, 比如1K, 这样32G内存就能管理1T数据.

详细参考: fatcache代码阅读笔记

4.3.3   ardb

https://github.com/yinqiwen/ardb

• Full redis-protocol compatible
• Most redis commands supported, and a few new commands
• Replication compatible with Redis 2.6/2.8
• Auto failover support by redis-sentinel
• 存储引擎支持 LevelDB/LMDB/RocksDB
• 空间索引.
• 代码量5w, 很难想象是一个人的作品. (HUST)

看上去很不错, c++实现.

4.3.4   ledisdb

• go 实现(金山 siddontang)
• https://github.com/siddontang/ledisdb
• 支持多种引擎: LevelDB, goleveldb, LMDB, RocksDB, BoltDB.
• 支持expiration
• 比GoRedis完善
• 写的很细心
• lua
• redis 协议 +rest协议

设计:

• http://siddontang.com/2014/05/10/ledisdb-introduction/
• http://siddontang.com/2014/05/30/ledisdb-design-1/
• http://siddontang.com/2014/06/14/ledisdb-design-2/

4.3.5   其它

• memcachedb

  • https://gitorious.org/mdb/memcachedb/source/9f2e5415e4d9017889caf61c100a9b8652825319

• redis-leveldb

  • 不是基于redis的代码,
  • https://github.com/KDr2/redis-leveldb
  • redis-protocol compatible
  • libev, cpp实现.
  • 2000行代码, 简单实现的玩具, 代码中各种printf直接输出到终端. 代码质量差
  • 没有expire, 主从同步,

• seqdb

  • 提供sql接口的kv.

• GoRedis

  • go实现, (陌陌)
  • 存储引擎使用RocksDB, redis接口.
  • 不支持expire
  • slaveof-proxy为两个redis建立自定义的主从同步，包含限速、断线重试等。

• rdisk 是一个hackathon项目, 提供兼容redis的协议.

  • libuv做服务
  • rangel 解析
  • tokyocabinet 作为存储引擎(作为.so嵌入)
  • https://github.com/Moodstocks/redisk
  • 是一个不错的开始

• lycadb

  • An experiment with InnoDB storage for a Redis-like key/value store

• redis-land-go

  • https://github.com/xjdrew/redis-land-go
  • 旁路监听，把redis数据存盘到leveldb

4.3.6   小结

• 有很多尝试做兼容redis的磁盘存储的项目,
• 在设计实现上都存在或多或少的问题.

4.4.1   淘宝tair

• 淘宝开发的分布式 key/value 存储系统

• 模块

  • config-server (master+slave)
  • data server (存储节点)
  • 客户端保存路由表, 有local cache
  • 一致性hash+数据迁移

• 存储引擎

  • mdb: 缓存, 支持kv,
  • rdb: redis内存结构, kv, list, set, zset.
  • ldb: 基于leveldb.

• 需要专用的 client lib.

• 支持多副本, 多版本.

• 规模(2011):

  • 共有20多个集群，400多台的服务器，其中300多台是cache的，每台提供22G的内存。其他的是持久化的Tair集群。
  • 存放了数百亿条记录，每秒百万级别的请求数。

http://code.taobao.org/p/tair/wiki/intro/

4.4.2   aerospike

• 商业产品, 开源.

• 三层:

  • client 感知数据存在哪里
  • Distribution Layer
  • Data Storage Layer: 单机引擎.

• API形式: 不是简单的key/value, 每个key需要指定 (namespace, set, key), 应该是为了控制锁粒度.

• Indexes are always stored in RAM.

• 数据类型: map, list, integer, string, blob.

• 可配 expire

• 支持lua.

• 支持Secondary indexes, 不是简单kv, 更像mongo

• 支持Hot Analytics (distributed aggregations or indexed map-reduce)

https://github.com/aerospike/aerospike-server

4.4.3   #facebook Apollo

http://www.infoq.com/news/2014/06/facebook-apollo

• Paxos-like NoSQL database
• C++
• 低延迟, 特别是Flash and in-memory
• 不是简单kv, 支持数据结构: maps, queues, trees
• 分布式, 有shard概念, 每个shard内基于RocksDB.
• Apollo isn't currently being used in production at Facebook
• The company is also looking at using Apollo as a reliable queuing system
• 是分布式的ssdb
• 还没开源.

4.4.4   #facebook-McDipper

https://www.facebook.com/notes/facebook-engineering/mcdipper-a-key-value-cache-for-flash-storage/10151347090423920

Compared with memory, flash provides up to 20 times the capacity per server and still supports tens of thousands of operations per second,

• 大约12年5月上线.
• cache替换策略: LRU或者FIFO
• you can enable bloom filters to avoid unnecessary reads
• 主要用于图片服务器的缓存(cdn上) 后端是HayStack.
• We serve over 150 Gb/s from McDipper forward caches in our CDN.
• 是一个cdn用的cache存储. memcache协议.
• 不开源.

4.4.5   #腾讯CKV海量分布式存储系统

(闭源, 这里参考一个ppt)

http://www.csdn.net/article/2014-03-11/2818723

高性能、低延时、持久化、分布式KV存储服务, 日请求数: 超过万亿次 (那得看多少套集群)

与Memcached和Redis等开源NoSQL相比，CKV具有以下优点.

• 内存+SSD, 99%命中率(取决于应用)

• 可以扩展到1PB

• 单表 千万qps

• 单台Cache服务器千兆网络环境支持50万/秒的访问，万兆网络环境支持超过100万/秒的访问 <redis也10个实例, 也可以做到>

• 双机热备，主备切换对业务透明. redis一样.

• 扩容: 需要停写

  • 扩容过程如下：Master将禁止shard2数据写访问命令发送给Access

• 规模: 近万台服务器

  • 万台, 每天万亿请求, 那就是说1亿/台, 每台只相当于1000qps.

4.4.6   小结

• 这里的几个系统, 都是类似GFS的架构, config-server + data server + 智能client
• 支持动态数据迁移和路由更新.
• 它们都有各自的接口, 相对来说比较复杂.