Kiến trúc mạng Cassandra

Cassandra là một cơ sở dữ liệu hướng cột, phân tán mã nguồn mở được thiết kế để xử lý một khối lượng lớn dữ liệu giàn trải trên nhiều node mà vẫn đảm bảo tính sẵn sàng cao (Highly Availability), khả năng mở rộng hay thu giảm số node linh hoạt (Elastic Scalability) và chấp nhận một số lỗi (Fault Tolerant). Nó được phát triển bởi Facebook và vẫn còn tiếp tục phát triển và sử dụng cho mạng xã hội lớn nhất thới giới này. Năm 2008, Facebook chuyển nó cho cộng đồng mã nguồn mở và được Apache tiếp tục phát triển đến ngày hôm nay. Cassandra được coi là sự kết hợp của Amazon’s Dynamo và Google’s BigTable. Các nút máy chủ trong cụm Cassandra là đồng nhất theo thiết kế ngang hàng (peer-to-peer), không có bất cứ thành phần nào trong hệ thống là điểm hỏng thắt cổ chai (bottle-neck).

Thiết kế của Cassandra là thiết kế phân tán trên hàng ngàn máy chủ mà không có bất cứ điểm chết tập trung nào. Cassandra có thiết kế dựa trên kiến trúc mạng ngang hàng (Peer - to - Peer) tất cả các nút máy chủ trong hệ thống đều có vai trò như nhau và không có nút máy chủ nào đóng vai trò là máy chủ trung tâm mà việc hỏng hóc của máy chủ này có thể kéo theo đánh sập hoàn toàn hệ thống như các kiến trúc chủ - khách truyền thống. Các nút máy chủ của Cassandra là độc lập và tham gia vào kết nối với các nút máy chủ khác trong hệ thống. Mỗi nút đều có thể xử lý các thao tác ghi và đọc dữ liệu, không phân biệt là dữ liệu được lưu trữ một cách vật lý trên máy chủ nào trong hệ thống. Khi một nút trong hệ thống bị hỏng hóc và dừng hoạt động, các thao tác đọc ghi dữ liệu có thể được xử lý bởi các nút khác trong hệ thống. Quá trình này hoàn toàn trong suốt với ứng dụng cho phép ẩn đi hỏng hóc của hệ thống đối với các ứng dụng đó. Trong Cassandra, mỗi đối tượng dữ liệu có thể được nhân bản và lưu giữ trên nhiều máy chủ. Nếu một trong các máy chủ lưu một phiên bản dữ liệu bị lỗi hoặc không phải là phiên bản được cập nhật dữ liệu mới nhất, Cassandra có cơ chế đồng bộ để luôn đảm báo các thao tác đọc sẽ luôn trả về dữ liệu mới nhất. Cơ chế này được thực thi trong quá trình đọc dữ liệu (read repair) thay vì đồng bộ ngay trong thao tác ghi dữ liệu, điều này cho phép tăng hiệu năng cho thao tác ghi dữ liệu.

Cassandra sử dụng cơ chế hàm băm nhất quán phân tán (Distributed consistent hashing) tổ chức các nút máy chủ thành cụm theo định dạng vòng tròn và dữ liệu được phân tán theo vòng tròn này theo hàm băm nhất quán. Mỗi vòng tròn được coi là một Datacenter.

Các nút trong một cụm Cassandra sẽ được phân bố trên một vòng tròn gọi là ring (Hình trên). Mỗi nút sẽ được gán với 1 giá trị key, Cassandra dùng 127 bit để tạo ra key này. Mỗi nút trong ring sẽ quản lý một phạm vi giá trị của các key. Phạm vi của key được xác định trải đều từ giá trị của chính nút đó nắm giữ, đi ngược lại chiều kim đồng hồ cho đến khi gặp nút đầu tiên thì dừng lại. Đối chiếu lên hình 8, ta sẽ thấy rằng phạm vi các key mà nút T-1 quản lý nằm trong vùng (T-0; T-1]. Khi một bản ghi được ghi vào cụm Cassandra. Trường khóa của bản ghi đó sẽ được đi qua một hàm băm nhất quán, trả về một giá trị key 127bit, giá trị key này nằm trong vùng kiểm soát của nút nào thì bản ghi đó sẽ được ghi vào nút đấy. Ví dụ ta có giá trị trên các trường name được băm ra như bảng sau:

Với Cassandra, chúng ta có hai chiến lược phân mảnh(xác định vị trí của từng nút trong ring) Random partitioning: Đây là chiến lược mặc định và được đề xuất của Cassandra, vị trí của các node được xác định hoàn toàn thông qua mảng băm MD5. Phạm vi khóa nằm trong khoảng từ 0 tới 2^127- 1 Ordered partitioning: Chiến thuật phân mảnh đảm bảo các nút được sắp xếp theo thứ tự và phạm vi key mà mỗi nút sở hữu là như nhau. Với chiến lược phân mảnh thứ nhất, nếu như các giá trị băm xuất ra giúp cho việc đặt các nút trong vòng phù hợp thì tất cả các bản ghi sẽ được phân bố đều trên toàn cụm. Việc thêm hay bớt mỗi nút ra khỏi cụm cũng dễ dàng hơn do không phải phân bố lại vị trí các nút khác. Với chiến lược phân mảnh thứ hai, khi mà các nút được phân bố đều vả phạm vi quản lý key là như nhau, những điều đó lại mang lại những bất lợi khá rõ ràng: Khó cân bằng trong cụm: Mỗi khi thêm hay bớt một nút khỏi cụm, người quản trị sẽ phải tự tái cân bằng cụm lại một cách thủ công để đảm bảo các nút phân bố đều. Nếu dữ liệu được ghi tuần tự, có thể xảy ra trường hợp hàng loạt dữ liệu được ghi vào một nút. Gây mất cân bằng trong cụm. Nhận xét: Với cả hai chiến lược phân mảnh trên, vẫn để lộ ra những điểm yếu, khi số lượng nút trong vòng quá ít, hoặc các nút phân bố ko đều theo giá trị bằm của các bảng ghi đưa vào, rất dễ đưa đến hiện tượng mất cân bằng, quá tải trong cụm. Ngoài ra, khi thêm hay xóa một nút khỏi vòng, thì sẽ phải mất công tái cân bằng lại cụm

Để giải quyết vấn đề này, ta có một giải pháp đó là sử dụng nút ảo. Nút ảo trông giống như một thành phần của vòng tròn trong hệ thống, nhưng bản chất nút ảo chỉ là ánh xạ của một nút vật lý đến một địa chỉ khác trong vòng. Khi dữ liệu đi vào vùng quản lý của nút ảo, nó sẽ được đưa về lưu trữ tại nút vật lý của nút ảo đó. Mỗi nút vật lý khi tham gia vào vòng sẽ được gán một vị trí của chính nút đó và gán thêm một số lượng các vị trí khác (được coi như là nút ảo của nút đó). Cassandra cấu hình mặc định mỗi một nút tham gia vòng sẽ được gán 256 nút ảo trong vòng. Hình trên thể hiện một vòng trong có 4 nút vật lý, mỗi nút được gán thêm 7 nút ảo, như vậy tổng cộng trên vòng tròn sẽ có 32 phân vùng key. Vậy tác dụng của nút ảo là gì, khi việc phân tán đều các nút ảo ra khắp vòng, số lượng nút tăng lên khiến cho các phân vùng key bé lại, việc phân vùng key bé lại mang ý nghĩa rất lớn trong việc phân bổ dữ liệu của cụm Cassandra, việc phân vùng nhỏ lại và các nút sát nhau hơn đưa hệ thống càng gần đến với việc tất cả dữ liệu sẽ được phân bổ đều khắm các nút, xác suất dữ liệu được đưa vào các nút là cân bằng nhau khi mà trên một khoảng key nhỏ ta có đầy đủ các nút ảo hoặc nút vật lý. Trường hợp hoàn hảo nhất là các nút vật lý đều có thành phần hiện diện của mình đêu khắp trên vòng. Phân vùng key quản lý khi có và không có nút ảo

Để thỏa mãn tính sẵn sàng và liên tục trong Cassandra, mỗi đối tượng dữ liệu có thể được nhân bản và lưu giữ trên nhiều máy chủ. Nếu một trong các máy chủ lưu một phiên bản dữ liệu bị lỗi hoặc là phiên bản cũ, không phải là phiên bản được cập nhật dữ liệu mới nhất, Cassandra có cơ chế đồng bộ để luôn đảm báo các thao tác đọc sẽ luôn trả về dữ liệu mới nhất. Đồng thời với việc này Cassandra tiến hành thao tác sửa lỗi đọc (read repair) là tiến trình ngầm để cập nhật trạng thái mới nhất cho tất cả các máy chủ lưu trữ nhân bản của dữ liệu. Cassandra tổ chức các nút máy chủ thành cụm theo định dạng vòng tròn và dữ liệu được phân tán theo vòng tròn này theo bảng hàm băm nhất quán (Distributed consistent hashing). Nếu mỗi dữ liệu của Cassandra được sao lưu trên N nút, khi một khóa k được quyết định sẽ lưu vào một nút nào đó, nút đó sẽ được coi là nút điều phối. Nút điều phối có nhiệm vụ phân phối bản ghi đấy cho N-1 nút còn lại theo nguyên tắc: từ nút điều phối, đi theo chiều kim đồng hồ, dữ liệu sẽ được ghi lên 2 nút tiếp theo được gặp. Hình trên mô tả khi khóa k được xác định là sẽ ghi vào nút B, nút B sẽ đóng vai trò điều phối, luân chuyển khóa đấy cho 2 nút tiếp theo là nút C và nút D. như vậy, nút D sẽ lưu trữ các khóa nằm trong vùng (A; D]. Danh sách các khóa trong vùng này được gọi là danh sách liên kết của nút D. Việc đưa các giá trị của khóa k sang các nút khác áp dụng cho tất cả các tác vụ ghi, cập nhật hay xóa. Vì việc việc quyết định số lượng nút được luân chuyển ngay lập tức mỗi khi có tác vụ ghi diễn ra ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ nhất quán của hệ thống. Trong cấu hình của Cassandra Apache ta có một chỉ số "replicatioon_factor" và "w". Chỉ số "replication_factor sẽ" được cài đặt ngay khi khởi tạo một key_space, đó là số lượng nút trong vòng sẽ được dùng để sao lưu dữ liệu. Chỉ số "w" khi cấu hình Cassandra là số lượng nút trả về kết quả khi thực hiện tác vụ ghi bắt buộc để tác vụ đấy được coi là thành công. Xét trên hình 12, khi ta đặt replication_factor = 3 và w = 2, khi khóa k được ghi vào thì cần phải có ít nhất 2 nút trong 3 nút B, C, D phản hồi lại ghi thành công thì tác vụ đấy mới được coi là thành công. Việc cài đặt chỉ số "w" cho ta thấy mức độ chi phí ta có thể bỏ ra để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu ngay lập tức. Việc nhân bản dữ liệu cũng ảnh hưởng đến mức độ nhất quán của hệ thống. Mức độ nhất quán xét trên cả 2 phương diện đó là đọc và ghi dữ liệu. Để duy trì mức độ nhất quán của dữ liệu, Cassandra cung cấp cho người dùng nhiều mức độ nhất quán của các tác vụ đọc và ghi. Từ mức độ cao nhất đến thấp nhất, ta có thể điều chỉnh mức nhất quán dựa vào hai tham số cấu hình là "w" và "r" cùng với chỉ số "replication_factor". Trong đó, "w" là số nút trả về khi ghi thành công, "r" là số nút trả về khi đọc thành công. Nếu như tính nhất quán là sự ưu tiên, ta có thể đặt "w" và "r" sao cho đảm bảo

w + r > replication_factor

Và nên đảm bảo "w" hoặc "r" luôn nhỏ hơn replication_factor để cho được độ trễ tốt hơn. Giả sử như replication_factor = 3, vậy 2 giá trị của "w" và "r" tốt nhất sẽ là 2. Nghĩa là mỗi khi đọc và ghi dữ liệu, cần ít nhất 2 nút trả về giá trị thì tác vụ đó coi là thành công. Và khi tác vụ đọc hoặc ghi thực hiện, sẽ luôn đảm bảo sẽ được thực hiện trên dữ liệu mới nhất mà tác vụ trước đó đã thực hiện.

Mỗi khi cụm Cassandra bổ sung hoặc loại bỏ một nút ra khỏi cụm, dữ liệu trong cụm sẽ phải được phân bố lại. Khi bổ sung một nút, nút đó sẽ lấy đi 1 phần dữ liệu của các nút khác khi nó được cấp cho 256 nút ảo. Khi một nút bị loải khỏi cụm, dữ liệu của nút đó sẽ phải được rải đều cho các nút khác. Trong Cassandra, các nút giao tiếp với nhau thông qua giao thức Gossip. Gossip là một giao thức dùng để cập nhật thông tin về trạng thái của các node khác đang tham gia vào cluster. Đây là một giao thức liên lạc dạng peer-to-peer trong đó mỗi node trao đổi định kỳ thông tin trạng thái của chúng với các node khác mà chúng có liên kết. Tiến trình gossip chạy mỗi giây và trao đổi thông tin với nhiều nhất là ba node khác trong cluster. Các node trao đổi thông tin về chính chúng và cả thông tin với các node mà chúng đã trao đổi, bằng cách này toàn bộ những node có thể nhanh chóng hiểu được trạng thái của tất cả các node còn lại trong cluster. Một gói tin gossip bao gồm cả version đi kèm với nó, như thế trong mỗi lần trao đổi gossip, các thông tin cũ sẽ bị ghi đè bởi thông tin mới nhất ở một số node. Khi một node được khởi động, nó sẽ xem file cấu hình cassandra.yaml để xác định tên cluster chứa nó và các nút khác trong cluster được cấu hình trong file, được biết với tên là seed node. Để ngăn chặn sự đứt đoạn trong truyền thông gossip, tất cả các nút trong cluster phải có cùng 1 danh sách các seed node được liệt kê trong file cấu hình. Bởi vì, phần lớn các xung đột được sinh ra khi 1 node được khởi động. Mặc định, 1 node sẽ phải nhớ những node mà nó đã từng gossip kể cả khi khởi động lại và seed node sẽ không có mục đích nào khác ngoài việc cập nhật 1 node mới khi nó tham gia vào cluster. Tức là, khi một node tham gia vào cluster, nó sẽ liên lạc với các seed node để cập nhật trạng thái của tất cả các node khác trong cluster. Trong những cluster có nhiều data center, danh sách seed node nên chứa ít nhất một seed node trên mỗi data center, nếu không thì khi có 1 nút mới tham gia vào cluster, thì nó sẽ liên lạc với một seed node nằm trên data center khác. Cũng không nên để mọi node đều là seed node vì nó sẽ làm giảm hiệu năng của gossip và gây khó duy trì. Việc tối ưu gossip là không quan trọng như khuyến khích nên sử dụng một danh sách nhỏ các seed node , thông thường 3 seed node trên một data center.