MIT6.5840-2023-Lab4B: Sharded K/V Service-Sharded K/V Server

实验内容

实现一个分片 k/v 存储系统,分片指如所有以“a”开头的键可能是一个分片,所有以 “b”开头的键可能是另一个分片。每个副本组仅处理几个分片的 Put、Append 操作,实现并行操作,系统总吞吐量(单位时间的放入和获取)与组的数量成正比。

分片 k/v 存储系统由多个副本组和一个分片控制器组成,分片控制器管理配置信息,决定哪个副本组为哪个分片服务。
某些组的负载可能远高于其他组,实现在多个副本组之间转移分片,以达到负载均衡。同时可能会添加新的副本组以增加容量,或者现有的副本组可能会脱机以进行修复,因此必须移动分片以继续满足要求。

主要挑战是处理重新配置,即将分片重新分配给副本组。在单个副本组中, 所有组成员必须就客户端的 Put/Append/Get 请求在进行重新配置时达成一致。如 Put 可能与重新配置同时到达,重新配置导致副本组不再对 Put 的 key 对应的分片负责。所以组中的所有副本必须就 Put 发生在重新配置之前还是之后达成一致。若在重新配置之前,则 Put 应生效,并且该分片的新所有者需要看到生效效果;若在重新配置之后,Put 将不会生效,客户必须重新请求该 key 的新所有者。

推荐的方法是让每个副本组使用 Raft 不仅记录请求的ID,还记录重新配置的ID。需要确保任何时间最多只有一个副本组为一个分片提供服务。

重新配置还涉及到副本组之间的交互,如在配置 10 中,组 G1 负责分片 S1,在配置 11 中,组 G2 负责分片 S1;在 10 到 11 的重新配置期间,G1 和 G2 必须使用 RPC 将分片 S1 的内容(键/值对)从 G1 移动到 G2。

实验环境

OS:WSL-Ubuntu-18.04
golang:go1.17.6 linux/amd64

Part B: Sharded Key/Value Server

Impl:shardkv/client.go, shardkv/common.go, and shardkv/server.go

实现一个分片 k/v 存储系统,每个副本组仅处理其所负责的分片中的键,并支持 Get、Put、Append 操作。利用 PartA 中实现的 ShardCtrler 维护配置信息。

No-credit challenge exercises

Garbage collection of state
当副本组失去对分片的所有权时,该副本组应消除其数据库中对应的key,从而避免浪费。但是,这在分片迁移上会有一些问题。假设我们有两个组G1和G2,并且有一个新的配置C——将Shard S从G1移至G2。如果G1转换为配置C时从其数据库中删除了S中的所有key,则G2在尝试移动到C时如何获取S的数据?

Client requests during configuration changes
处理配置更改的最简单方法是禁止所有客户端操作,直到过渡完成。虽然从概念上讲简单,但这种方法在生产级系统中是不可行的。每当将机器带入或取出时,它会导致所有客户暂停。
即使配置转换仍在进行中,副本组仍然能够使用新配置已经join的分片。

addConfig()

定时检测是否有更新的配置,若当前正在更新配置,则等待更新完成再继续检测;否则向raft提交命令,等待达成共识然后执行。

func (kv *ShardKV) addConfig() {
	for kv.killed() == false {
		if _, isLeader := kv.rf.GetState(); !isLeader {
			time.Sleep(100 * time.Millisecond)
			continue
		}
		kv.mu.Lock()
		isAllServing := true
		for _, shard := range kv.shards {
			if shard.State != Serving {
				isAllServing = false
				break
			}
		}
		kv.mu.Unlock()
		if isAllServing {
			config := kv.manager.Query(kv.config.Num + 1) // next config
			if config.Num == kv.config.Num+1 {
				command := Command{
					CommandType: AddConfig,
					Data:        config,
				}
				reply := CommonReply{}
				kv.startCommand(command, &reply)
			}
		}
		time.Sleep(100 * time.Millisecond)
	}
}

insertShard()

定时检测是否需要从其他副本组pull shard,向pulling状态分片所在的副本组发送GetShards-rpc,得到分片信息后,向raft提交插入分片的命令,达成共识后执行。

func (kv *ShardKV) insertShard() {
	for kv.killed() == false {
		if _, isLeader := kv.rf.GetState(); !isLeader {
			time.Sleep(100 * time.Millisecond)
			continue
		}
		kv.mu.Lock()
		GID2ShardIds := kv.getLastGID2ShardIds(Pulling) // gid in last config
		wg := &sync.WaitGroup{}
		wg.Add(len(GID2ShardIds))
		for gid, shardIds := range GID2ShardIds {
			configNum, servers := kv.config.Num, kv.lastConfig.Groups[gid]
			go func(gid int, shardIds []int, configNum int, servers []string) {
				defer wg.Done()
				// get pulling shards in other group
				for _, server := range servers {
					args := PullShardArgs{
						GID:       gid,
						ShardIds:  shardIds,
						ConfigNum: configNum,
					}
					reply := PullShardReply{}
					srv := kv.make_end(server)
					ok := srv.Call("ShardKV.GetShards", &args, &reply)
					if ok && reply.Err == OK {
						reply.ConfigNum = configNum
						command := Command{
							CommandType: InsertShard,
							Data:        reply,
						}
						kv.startCommand(command, &CommonReply{})
					}
				}
			}(gid, shardIds, configNum, servers)
		}
		kv.mu.Unlock()
		wg.Wait()
		time.Sleep(100 * time.Millisecond)
	}
}

adjustGCing()——Garbage collection of state

定时检测是否有GCing状态分片,这种状态表示分片已经复制到副本组中。若有,则向这些分片之前所在的副本组发送DeleteShards-rpc,删除其中BePulling状态分片;然后向raft提交将GCing状态修改为Serving状态的命令。

func (kv *ShardKV) adjustGCing() {
	for kv.killed() == false {
		if _, isLeader := kv.rf.GetState(); !isLeader {
			time.Sleep(100 * time.Millisecond)
			continue
		}
		kv.mu.Lock()
		GID2ShardIds := kv.getLastGID2ShardIds(GCing)
		wg := &sync.WaitGroup{}
		wg.Add(len(GID2ShardIds))
		for gid, shardIds := range GID2ShardIds {
			configNum, servers := kv.config.Num, kv.lastConfig.Groups[gid]
			go func(gid int, shardIds []int, configNum int, servers []string) {
				defer wg.Done()
				// remove gcing shards in other group
				for _, server := range servers {
					args := RemoveShardArgs{
						ShardIds:  shardIds,
						ConfigNum: configNum,
					}
					reply := RemoveShardReply{}
					srv := kv.make_end(server)
					ok := srv.Call("ShardKV.DeleteShards", &args, &reply)
					if ok && reply.Err == OK {
						args := AdjustShardArgs{
							ShardIds:  shardIds,
							ConfigNum: configNum,
						}
						command := Command{
							CommandType: AdjustState,
							Data:        args,
						}
						kv.startCommand(command, &CommonReply{})
					}
				}
			}(gid, shardIds, configNum, servers)
		}
		kv.mu.Unlock()
		wg.Wait()
		time.Sleep(100 * time.Millisecond)
	}
}

adjustBePulling()

主要解决快照记录的时间点不同,不同服务器回退到了不同的状态。定时检测状态为BePulling的分片,若配置落后于被插入分片的副本组(即原先分片状态为Pulling的副本组,而快照回退正常,所有分片正常迁移,状态均为Serving,而不是GCing)的配置,则可以判断持久化状态回退失误,将BePulling状态转为Serving。

func (kv *ShardKV) adjustBePulling() {
	for kv.killed() == false {
		if _, isLeader := kv.rf.GetState(); !isLeader {
			time.Sleep(100 * time.Millisecond)
			continue
		}
		kv.mu.Lock()
		GID2ShardIds := kv.getNowGID2ShardIds(BePulling)
		wg := &sync.WaitGroup{}
		wg.Add(len(GID2ShardIds))
		for gid, shardIds := range GID2ShardIds {
			configNum, servers := kv.config.Num, kv.lastConfig.Groups[gid]
			go func(gid int, shardIds []int, configNum int, servers []string) {
				defer wg.Done()
				// get bepulling shards in now group
				for _, server := range servers {
					args := CheckArgs{
						ShardIds:  shardIds,
						ConfigNum: configNum,
					}
					reply := CheckReply{}
					srv := kv.make_end(server)
					ok := srv.Call("ShardKV.CheckShards", &args, &reply)
					if ok && reply.Err == OK {
						args := AdjustShardArgs{
							ShardIds:  shardIds,
							ConfigNum: configNum,
						}
						command := Command{
							CommandType: AdjustState,
							Data:        args,
						}
						kv.startCommand(command, &CommonReply{})
					}
				}
			}(gid, shardIds, configNum, servers)
		}
		kv.mu.Unlock()
		wg.Wait()
		time.Sleep(100 * time.Millisecond)
	}
}

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