一致性Hash算法

1. 起源

一致性Hash算法在1997年由麻省理工学院提出的一种分布式哈希（DHT）实现算法，设计目标是为了解决因特网中的热点（Hot Spot）问题，初衷和CARP十分相似。一致性Hash修正了CARP使用的简单哈希算法带来的问题，使得分布式哈希（DHT）可以在P2P环境中真正得到应用。

2. 普通的HASH算法的缺点

在使用Redis集群的时候，如果直接使用HASH算法 hash(key) % length，当缓存服务器变化时(宕机或新增节点)，length字段变化，导致所有缓存的数据需要重新进行HASH运算，这样就导致原来的哪些数据访问不到了。而这段时间如果访问量上升了，容易引起服务器雪崩。

3. 一致性哈希

通过对2^32取模的方式，保证了在增加/删除缓存服务器的情况下，其他缓存服务器的缓存仍然可用，从而不引起雪崩问题。

下面对一致性哈希算法分析：

3.1 环形Hash空间

按照常用的hash算法来将对应的key哈希到一个具有2^{32次方个桶的空间中，即0~（2}32）-1的数字空间。现在我们可以将这些数字头尾相连，想象成一个闭合的环形。如下图

3.2 数据映射

现在我们将object1、object2、object3、object4四个对象通过特定的Hash函数计算出对应的key值，然后散列到hash换上。如下图：

Hash(object1)=key1;
Hash(object2)=key2;
Hash(object3)=key3;
Hash(object4)=key4;

3.3 机器映射

在采用一致性哈希算法的分布式集群中将新的机器加入，其原理是通过使用与对象存储一样的Hash算法将机器也映射到环种（一般情况下对机器的hash计算是采用机器的IP或者唯一的别名作为输入值），然后以顺时针的方向计算，将所有对象存储到离自己最近的机器中。

假设现在有NODE1,NODE2,NODE3三台机器中，通过hash算法得到对应的KEY值（红色圆），映射到环中，其示意图如下：

Hash（NODE1）=KEY1;
Hash（NODE2）=KEY2;
Hash（NODE3）=KEY3;

通过上图可以看出对象与机器处于同一个哈希空间中，这样按顺时针转动
object1（对象）存储到了NODE1（机器）中,
object3（对象）存储到了NODE2（机器）中,
object2、object4（对象）存储到了NODE3（机器）中。
在这样的部署环境中，hash环是不会变更的，因此，通过算出对象的hash值就能快速的定位到对应的机器中，这样就能找到对象真正的存储位置了。

3.4 机器删除与添加

3.4.1 节点（机器）的删除

以上面的分布式集群为例，如果NODE2出现故障被删除了，那么按照顺时针迁移的方法，object3将会被迁移到NODE3中，这样仅仅是object3的映射位置发生了变化，其他的对象没有任何的变动，如下图：

3.4.2 节点（机器）的添加

如果往集群中添加一个新的节点NODE4,通过对应的Hash算法得到KEY4，并映射到环中，如下图：

通过按照顺时针迁移的规则，那么object2被迁移到NODE4中，其他对象还保持这原有的存储位置。通过对节点的添加和删除的分析，一致性哈希算法在保持了单调性的同时，还是数据的迁移达到了最小，这样的算法对分布式集群来说非常合适的，避免了大量收数据迁移，减少了服务器的压力。

3.5 平衡性

根据上面的图解分析，一致性哈希算法满足了单调性和负载均衡的特性以及一般hash算法的分散性，但这还并不能当做其被广泛应用的原由，因为缺少了平衡性。下面将分析一致性哈希算法是如何满足平衡性的。hash算法是不保证平衡性的，如上面只部署了NODE1和NODE3的情况(NODE2被删除的图)，object1存储在NODE1中，而object2、object3、object4都存储在NODE3中，这样就造成了非常不平衡的状态。在一致性哈希算法中，为了尽可能的满足平衡性，其引入了虚拟节点。

何为虚拟节点？虚拟节点（Virtual node）是实际节点（机器）在hash空间的复制品（replica），一个实际节点对应了若干个“虚拟节点”，这个对应个数也称为“复制个数”，“虚拟节点”在hash空间中以hash值排列。

在上面只部署了NODE1和NODE3的情况（NODE2被删除的图）为例，之前的对象在机器上的分布很不均衡，现在我们以2个副本（每个节点复制2个）为例，这样整个hash环就存在4个虚拟节点，最后对象映射的关系图如下：

根据上图可知对象的映射关系：
object1->NODE1-1（虚拟节点，映射NODE1）,
object2->NODE1-2（虚拟节点，映射NODE1）,
object3->NODE3-2（虚拟节点，映射NODE3）,
object4->NODE3-1（虚拟节点，映射NODE3）,
通过虚拟节点的引入，对象的分布就比较均衡了。那么在实际操作中，真正的对象查询是如何工作的呢？对象从hash到虚拟节点到实际节点的转换如下图：

虚拟节点”的hash计算可以采用对应节点的IP地址加数字后缀的方式。例如假设NODE1的IP地址为192.168.1.100。引入“虚拟节点”前，计算 cache A 的 hash 值：
Hash(“192.168.1.100”);
引入“虚拟节点”后，计算“虚拟节”点NODE1-1和NODE1-2的hash值：
Hash(“192.168.1.100#1”); // NODE1-1
Hash(“192.168.1.100#2”); // NODE1-2

原文链接：https://blog.csdn.net/cb_lcl/article/details/81448570