Cassandra Vnodes在Cassandra 2.0-4.0中的演进

Vnodes简短历史

Vnodes又叫Virtual Nodes。是Cassandra在1.2版本里引入的功能，已经在生产环境中使用了近8年了。从2.0版本开始，因为默认配置里num_tokens一般会设成256，所以如果你没有修改过默认参数，那很有可能你一直都在使用这个功能。

当初引入vnodes主要是为了改善增加节点时的灵活性。在pre-1.2时代（也就是没有vnodes功能的时候），每次集群扩容都必须要让节点数翻倍，比如3个节点扩容到6个节点，下次需要扩容的时候再增加到12个节点。这是因为每个节点都只拥有一个token范围，增加新节点的时候就是把每个token范围一分为二，让每个新节点都负责一半的token范围。但是，如果要保证整个集群的token范围是均匀分布的，每次新增加的节点数需要跟已有的节点数一致。这样每次翻倍的扩容方式显然对运维和资源计划造成了很大的挑战。

有了vnodes以后，默认情况下每个物理节点会负责256个token范围，增加一个新的节点只需要从每个已有节点的256个token范围中取出若干个，合起来凑成256个新token范围分配给新来的节点就好了。整个集群的token范围分布还是均匀的。

Vnodes功能在1.2版推出以后，受到了广大生产环境Cassandra运维人员的欢迎，所以在2.0版里，vnodes功能被默认启用，而且这个num_tokens参数默认的被配置成了256。

Vnodes带来的问题

可是，随着越来越多的Cassandra集群开始在生产环境里使用vnodes，它的一些不尽如人意的地方逐渐开始体现出来。

最大的一个问题，体现在运行nodetool repair的时候：因为repair是按照节点的token范围来安排一个个的小任务，以进行副本之间的比较和修复工作；一个节点拥有的token范围的数量越多，这样的小任务就越多；当一个节点拥有了256个token范围，并且存储了几百GB数据的时候，每个keyspace的repair小任务加起来所花的时间动辄就会达到几小时甚至数天；生产环境中一般会有几个keyspace，再加上nodetool repair -pr需要10天之内在所有的节点上都运行一轮，这会对运维带来比较大的困难。

另外，当一个节点拥有了256个token范围时，增加新节点的bootstrap过程也会带来多得多的SSTable数量，需要消耗大量的CPU才能把这些大量的小SSTable消化掉。

比较棘手的是，这些问题并不是简单的在配置中降低num_tokens取值就可以解决的。把num_tokens设置成一个更小的值比如16，当然会大大改善repair和bootstrap，但是这样面临着两个主要的挑战：

Cassandra 1.2原有的vnodes算法设计一般假设每个节点会有数百个token范围，使用的是随机重新分配的算法，token范围数量多的时候没问题，但是token范围数量降低到十几个的时候，很容易出现数据不均匀分配的情况(如下图所示)，而且节点增加的越多，这种不均匀的现象会越严重；
一个数据中心的vnodes数量在数据中心初始化的时候就确定了，将来想要改的话，只能启用新的数据中心迁移数据。

Datacenter: us-east-1

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Status=Up/Down

|/ State=Normal/Leaving/Joining/Moving

--  Address        Load   	  Tokens   	Owns (effective)  Host ID                               Rack

UN  172.1*.3*.1*   1.55 TiB    16       	4.1%          	f683ab0e-a687-400f-80fb-28f7b4471ffc  b

UN  172.1*.3*.1**  1.05 TiB    16       	2.9%          	2097cd01-4161-44a9-a944-d5445e8c5e02  c

UN  172.1*.3*.2*   720.26 GiB  16       	3.0%  	        e6593e3a-bb1c-499c-a99b-73781cfcd076  c

UN  172.1*.3*.2*   1.3 TiB     16       	4.0%          	99670a7c-a55f-4a43-8e4b-a3cccc71f08f  a

UN  172.1*.3*.1**  961.67 GiB  16       	3.2%          	a4bb1648-3582-4f05-a1e6-3125e9c3c46c  b

UN  172.1*.3*.1**  1.29 TiB    16       	4.4%          	890e98d3-d88d-4d8c-89b4-7e9444bb69be  a

UN  172.1*.3*.2*   1.42 TiB    16       	4.0%          	3f2817da-9dc5-4122-8977-5d3d93669b4e  c

UN  172.1*.3*.1**  710.53 GiB  16       	4.9%       	72405162-f121-46d4-a220-a1fd2db868e8  b

UN  172.1*.3*.3*   2.38 TiB    16       	7.1%          	f15c768c-0175-4646-bc68-7b20a74d7f0d  b

UN  172.1*.3*.1**  2.68 TiB    16       	7.3%          	2f444803-7787-474a-9ed9-8555147023d3  c

UN  172.1*.3*.1**  1.59 TiB    16       	5.2%          	bd838966-23e2-44b2-986c-729ede679604  c

UN  172.1*.3*.5*   808.48 GiB  16       	4.3%          	1fe83c82-1fb2-4570-9aae-7805370f24b0  b

新版本是怎样解决问题的

针对上面提到的第一个挑战，Cassandra 3.0里启用了新的token分配算法，并且增加了一个新的参数allocate_tokens_for_keyspace，这个贪心算法虽然不能完全避免token范围热点的情况出现，但是它的最大好处是，在集群中继续增加节点的话，token范围的热点会越来越少，数据分配会越来越均匀。

Cassandra 4.0在此基础之上又做了更多的改进，3.0里的参数allocate_tokens_for_keyspace将被allocate_tokens_for_local_replication_factor取代。这样配置的工作更加简单，因为不再需要在初始化一个数据中心的时候提供一个keyspace的名字。

有了这样算法的加持，社区也逐渐开始建议所有用户在新建数据库的时候，把num_tokens参数直接改成一个比256小得多的取值。最新的讨论可以看这个JIRA和这个邮件列表的讨论。社区现在达成的共识是在4.0版本中把默认的num_tokens设置成16，并且默认启用新的token分配算法。如果4.0 release测试过程不再发现新的问题，在4.0正式版发布以后，所有运行新版本的集群将会是每节点拥有16个token范围，以兼顾运维操作的高效，和数据分配的均匀。