Особенности архитектуры распределённого хранилища в Dropbox
Вниманию читателей «Хабрахабра» представляется расшифровка видеозаписи (в конце публикации) выступления Вячеслава Бахмутова на сцене конференции HighLoad++, прошедшей в подмосковном Сколково 7–8 ноября ушедшего года.
Меня зовут Слава Бахмутов, я работаю в Dropbox. Я Site Reliability Engineer (SRE). Я люблю Go и продвигаю его. С ребятами мы записываем подкаст golangshow.
Что такое Dropbox?
Это облачное хранилище, в котором пользователи хранят свои файлы. У нас 500 миллионов пользователей, у нас более 200 тысяч бизнесов, а также огромное количества данных и трафика (более 1.2 млрд новых файлов в день).
Концептуально, архитектура — это два больших куска. Первый кусок — это сервер метаданных, в нем хранится информация о файлах, связи между файлами, информация о пользователях, какая-то бизнес логика, и все это связано с базой данных. Второй большой кусок — это блочный storage в котором хранятся данные пользователей. Изначально, в 2011 году, все данные хранились в Amazon S3. В 2015 году, когда нам удалось перекачать все эксабайты к себе, мы рассказали о том, что написали свой облачный storage.
Мы назвали его Magic Pocket. Он написан на Go, частично на Rust и достаточно много на Python. Архитектура Magic Pocket, он кросс-зоный, есть несколько зон. В Америке это три зоны, они объединены в Pocket. Есть Pocket в Европе, с американским он не пересекается, потому что жители Европы не хотят, чтобы их данные были в Америке. Зоны между собой реплицируют данные. Внутри зоны есть ячейки. Есть Master, который управляет этими ячейками. Есть репликации между зонами. В каждой ячейке есть Volume Manager, который следит за серверами, на которых хранятся эти данные, там достаточно большие сервера.
На каждом из серверов это все объединено в bucket, bucket — это 1 GB. Мы оперируем bucket«ами, когда перекидываем данные куда-то, когда что-то удаляем, очищаем, дефрагментируем, потому что сами блоки данных, которые мы сохраняем от пользователя, — это 4 MB, и оперировать ими очень сложно. Все компоненты Magic Pocket хорошо описаны в нашем техническом блоге, про них я не буду рассказывать.
Я буду рассказывать по архитектуру с точки зрения SRE. С этой точки зрения очень важна доступность и сохранность данных. Что же это такое?
Доступность — это сложное понятие и вычисляется для разных сервисов по-разному, но обычно это отношение количества выполненных запросов к общему количеству запросов, обычно описывается девятками: 999, 9999, 99999. Но по сути это некая функция от времени между катастрофами или какими-то проблемами ко времени за сколько вы почините это проблему. Неважно как вы это почините, в продакшне или просто откатите версию.
Что такое сохранность?
Как мы вычисляем сохранность? Вы берете какие-то данные и сохраняете их на жесткий диск. Дальше вы должны дождаться пока они синхронизируются на диск. Это смешно, но многие пользуются nosql-решениями, которые просто пропускают этот шаг.
Как высчитывается сохранность?
Есть AFR — это годовая частота ошибок дисков. Есть различные статистики по тому, какие ошибки бывают, насколько часто бывают ошибки в тех или иных жестких дисках. Вы можете ознакомиться с этими статистиками:
Дальше вы можете реплицировать ваши данные на разные жесткие диски чтобы повысить durability. Вы можете использовать RAID, вы можете держать реплики на разных серверах или даже в разных дата-центрах. И если вы посчитаете цепочками Маркова, насколько вероятность потери одного байта, то у вас получится что-то около 27 девяток. Даже на масштабах Dropbox, где у нас эксабайты данных, мы не потеряем ни один байт в ближайшем будущем никогда практически. Но все это эфемерно, любая ошибка оператора, либо логическая ошибка в вашем коде — и данных нет.
Как же мы на самом деле улучшаем доступность и сохранность данных?
Я разделяю это на 4 категории, это:
- Изоляция;
- Защита;
- Контроль;
- Автоматизация.
Автоматизация — это очень важно.
Изоляция бывает:
- Физическая;
- Логическая;
- Эксплуатационная.
Физическая изоляция. На масштабах Dropbox или компании вроде Dropbox нам очень важно общаться с дата центром, мы должны знать, как наши сервисы располагаются внутри дата центра, как к ним подводится энергия, какая сетевая доступность у этих сервисов. Мы не хотим в одной стойке держать сервисы баз данных, которые нам нужно постоянно бэкапить. Допустим, каждый бэкап у нас 400 Мбит/с, и у нас просто канала не хватит. Чем глубже вы уходите в этот стэк, тем дороже ваше решение, и тем оно становится сложнее. Насколько низко спускаться — это ваше решение, но, само собой, вы не должны класть все реплики ваших баз данных в одну стойку. Потому что энергия отключится и у вас баз данных нет больше.
Можно посмотреть на все это в другом измерении, с точки зрения производителя оборудования. Очень важно пользоваться разными производителями оборудования, разными прошивками, разными драйверами. Почему? Хоть производители оборудования и говорят, что их решения надежны, на самом деле они врут и это не так. Хорошо хоть не взрываются.
Исходя из всего этого, важно критические данные класть не только у себя где-то в бэкапах на своей инфраструктуре, но и во внешней инфраструктуре. Например, если вы у облака Google, то важные данные кладете в Amazon, и наоборот. Потому что если ваша инфраструктура погаснет, то бэкап будет взять неоткуда.
Логическая изоляция. Про нее практически все всё знают. Основные проблемы: если один сервис начинает создавать какие-то проблемы, то другие сервисы тоже начинают испытывать проблемы. Если баг был в коде у одного сервиса, то этот баг начинает распространяться на другие сервисы. У вас начинают поступать неправильные данные. Как с этим справиться?
Слабая связанность! Но это очень редко работает. Есть такие системы, которые не слабо связаны. Это базы данных, ZooKeeper. Если у вас большая нагрузка пошла на ZooKeeper, у вас кластер кворум упал, то он весь упал. С базами данными примерно то же самое. Если большая нагрузка на master, то скорее всего весь кластер упадет.
Что мы сделали в Dropbox?
Это высокоуровневая диаграмма нашей архитектуры. У нас есть две зоны, и между ними мы сделали очень простой интерфейс. Это практически put и get, это именно для storage. Это было очень сложно для нас, потому что мы хотели сделать все сложнее. Но это очень важно, потому что внутри зон все очень сложно, там и ZooKeeper, и базы данных, кворумы. И это все периодически падает, прям все сразу. И чтобы это не захватило остальные зоны, между ними есть этот простой интерфейс. Когда одна зона падает, то вторая скорее всего будет работать.
Эксплуатационная изоляция. Как бы вы хорошо ни раскидали ваш код по разным серверам, как бы хорошо его логически ни изолировали, всегда найдется человек, который сделает что-то не так. Например, в «Одноклассниках» была проблема: человек раскатал на все сервера Bash shell, в котором что-то не работало, и все сервера отключились. Такие проблемы тоже бывают.
Еще шутят, что если бы все программисты и системные администраторы ушли куда-нибудь отдыхать, то система бы работала гораздо стабильнее, чем когда они работают. И это действительно так. Во время фризов многие компании имеют такую практику делать заморозку перед новогодними каникулами, система работает гораздо стабильнее.
Контроль доступа. Релиз процесс: все это активно тестируете, затем тестируете на staging, который использует, например, ваша компания. Дальше мы выкладываем изменения в одну зону. Как только мы удостоверились, что все нормально, мы раскладываем на остальные две зоны. Если что-то не нормально, то мы с них реплицируем данные. Это все касается storage. Продуктовые сервисы мы постоянно обновляем, раз в день.
Защита. Как же нам нужно защищать наши данные?
Это валидация операций. Это возможность восстановить эти данные. Это тестирование. Что такое валидация операций?
Самый большой риск для системы — это оператор.
Есть история. Маргарет Гамильтон, которая работала в программе «Аполлон», в какой-то момент во время тестирования к ней пришла дочка и повернула какой-то рычажок, и вся система навернулась. Этот рычажок очищал систему навигации этого «Аполлона». Гамильтон обратилась в НАСА и сказала, что есть такая проблема, предложила сделать защиту. Если корабль летит, то не будет очищать данные в этом корабле. Но в НАСА сказали, что астронавты — профессионалы, и они никогда не повернут этот рычажок. В следующем полете один из астронавтов нечаянно этот рычажок повернул, и все очистилось. У них было четкое описание проблемы, и они смогли восстановить эти навигационные данные.
У нас был похожий пример, у нас есть такой инструмент, который называется JSSH, это такой distributed shell, который позволяет выполнять команды на множестве серверов.
По сути, нам в этой команде нужно выполнить на серверах memcache, который находится в состоянии reinstall, то есть они уже не работают, и нам их нужно обновить. Нам нужно выполнить скрипт upgrade.sh. Обычно это все делается автоматически, но иногда нужно вручную это делать.
Тут есть проблема, это нужно было сделать все кавычках:
Так как это все было без кавычек, то у нас для всех memcach«ей установился аргумент lifecycle=reinstall и они все перезагрузились. Это не очень хорошо сказалось на сервисе. Оператор не виноват, всякое бывает.
Что мы сделали?
Мы поменяли синтаксис команды (gsh), чтобы не было больше таких проблем. Мы запретили выполнять деструктивные операции на живых сервисах (DB, memcache, storage). То есть нам нельзя ни к коем случае перезагрузить базу данных, не остановив её и не убрав её из production, так же с memcache. Все такие операции мы стараемся автоматизировать.
Мы добавили два слеша в эту операцию в конце и уже после этого указываем свой скрипт, такой маленький фикс позволил нам избегать таких проблем в дальнейшем.
Второй пример. Это SQLAlchemy. Это библиотека для Python для работы с базами данных. И в ней для update, insert, delete есть такой аргумент, который называется whereclause. В нем вы можете указать что вы хотите удалить, что вы хотите апдейтить. Но если вы туда передадите не whereclause, а where, то sqlalchemy ничего не скажет, он просто удалит все без where, это очень большая проблема. У нас есть несколько сервисов, например, ProxySQL. Это прокси для MySQL, который позволяет запретить многие деструктивные операции (DROP TABLE, ALTER, updates без where и т.д.). Так же в этом ProxySQL можно сделать throttling и для тех запросов, которые мы не знаем, ограничить их количество, чтобы умный запрос не положил нам master случайно.
Восстановление. Очень важно не только создавать бэкапы, но и проверять, что эти бэкапы восстановятся. Facebook недавно выложил статью, где они рассказывают, как они постоянно делают бэкапы и постоянно восстанавливаются из этих бэкапов. У нас по сути все тоже самое.
Вот пример из нашего Orchestrator, за какой-то короткий отрезок времени:
Видно, что у нас постоянно делаются клоны баз данных, потому что у нас на одном сервере до 32 баз данных расположено, мы постоянно их перемещаем. Поэтому у нас постоянно происходит клонирование. Постоянно promotion идут в master и на slave и т.д. Так же огромное количество бэкапов. Мы бэкапимся к себе, также в Amazon S3. Но у нас также постоянно происходит recovery. Если мы не проверим, что каждая база данных, которую мы забэкапили, может восстановиться, то по сути у нас этого бэкапа нет.
Тестирование
Все знают, что полезно и юнит-тестирование, и интеграционное тестирование. С точки зрения доступности, тестирование — это MTTR, время для восстановления, оно по сути равно 0. Потому что вы этот баг нашли не в production, а до production и пофиксили его. Availability не прогнулось. Это тоже очень важно.
Контроль
Кто-то всегда напортачит: либо программисты, либо операторы что-то сделают не так. Это не проблема. Нужно иметь возможность находить и исправлять это всё.
У нас для storage существует огромное количество верификаторов.
Их на самом деле 8, а не 5, как здесь. У нас коды верификаторов больше кодов самого storage. У нас 25% внутреннего трафика — это верификации. На самом низком уровне работают disk scrubber«ы, которые просто читают блоки с жесткого диска и проверяют контрольные суммы. Почему мы это делаем? Потому что жесткие диски врут, S.M. A.R.T. врут. Производителям невыгодно, чтобы S.M. A.R.T находил ошибки, потому что им приходится возвращать эти жесткие диски. Поэтому это нужно всегда проверять. И как только мы видим проблему, мы пытаемся восстановить эти данные.
У нас есть trash inspector. Когда мы что-то удаляем, либо перемещаем, либо что-то деструтивное делаем с данными, мы сначала кладём эти данные в некую корзину и потом проверяем эти данные, действительно ли мы хотели их удалить. Хранятся они там две недели, например. У нас capacity на это двухнедельное время удаленных данных, это очень важно, поэтому мы тратим на это деньги. Мы так же постоянно часть трафика, который приходит в storage, сохраняем эти операции в Kafka. Потом эти операции повторяем уже на storage. Мы обращаемся к storage как к blackbox, чтобы посмотреть, действительно ли там есть данные трафика, который к нам пришел, и те, которые записались, мы их можем забрать.
Мы постоянно проверяем, что данные среплицированны с одного storage на другой, то есть они соответствуют друг другу. Если данные есть в одном storage, они обязаны быть в другом storage.
Верификаторы — это очень важно, если вы хотите добиться высокого и качественного durability.
Также очень важно знать, что верификаторы, которые вы не протестировали, они по сути дела ничего не верифицируют. Вы не можете сказать, что они действительно делают то, что вы хотите.
Поэтому очень важно проводить Disaster Recovery Testing (DRT). Что это такое? Это когда вы, например, полностью отключаете какой-то внутренний сервис, от которого зависят другие сервисы, и смотрите, а смогли ли вы определить, что у вас что-то не работает, либо вы считаете, что все отлично. Смогли ли вы среагировать на это быстро, починить, восстановить это всё. Это очень важно, потому что мы ловим проблемы в production. Production отличается от staging тем, что там совсем другой трафик. У вас просто другая инфраструктура. Например, у вас в staging может быть на одном рэке одно количество сервисов, и они разные, например, веб-сервис, база данных, storage. А в production это может быть совершенно другая.
У нас была такая проблема из-за того, что у нас база данных стояла с веб-сервисами, мы не могли вовремя её забэкапить. За этим тоже нужно следить.
Очень важно доказывать наши суждения. То есть если что-то упало, и мы знаем, как это восстановить, мы написали этот скрипт, мы должны доказать, что если что-то упадет, то это действительно произойдет. Потому что код меняется, инфраструктура меняется, все может поменяться. Также это плюс и спокойствие для дежурных, потому что они не спят. Они не любят просыпаться ночью, у них потом проблемы могут возникнуть. Это факт, психологи изучали это.
Если дежурные знают, что будет какая-то проблема, то они к этому готовы. Они знают, как это восстановить в случае реальной проблемы. Это нужно регулярно делать и в production.
Автоматизация
Самая важная вещь. Когда у вас количество серверов растет линейно или экспоненциально, то количество людей не рождается линейно. Они рождаются, учатся, но с какой-то периодичностью. И вы не можете увеличивать количество людей равносильно количеству ваших серверов.
Поэтому вам нужна автоматизация, которая будет выполнять работу за этих людей.
Что такое автоматизация?
В автоматизации очень важно собирать метрики с вашей инфраструктуры. Я практически ничего не говорил про метрики в своем докладе, потому что метрики — это ядро вашего сервиса и про него упоминать не надо, потому что это самая важная часть вашего сервиса. Если у вас нет метрик, вы не знаете, работает ваш сервис или нет. Поэтому очень важно собирать метрики быстро. Если, например, у вас метрики собираются раз в минуту, а проблема у вас в минуте, то вы про нее не узнаете. Также очень важно быстро реагировать. Если реагирует человек, например, у нас минута прошла, когда что-то случилось, что-то закладывается на то, что баг был в метрике, вам приходит alert. У нас policy в течение 5 минут. Вы должны начать что-то делать, реагировать на alert в это время. Вы начинаете что-то делать, начинаете разбираться, по сути у вас проблема решается в среднем минут 10–15, в зависимости от проблемы. Автоматизация позволяет вам ускорить, но не решить, в том плане, что она дает информацию об этой проблеме до того, как вы займетесь решением данной проблемы.
У нас есть такой инструмент Naoru — параноидальная автоматизация.
Автоматизация состоит из нескольких компонентов.
Она состоит из неких алертов, которые приходят. Это может быть простой пайтоновский скрипт, который коннектится к серверу и проверяет, что он доступен. Это может приходить из Nagios или Zabbix, неважно что вы используете. Главное, чтобы это приходило быстро. Дальше мы должны понять, что с этим делать, мы должны продиагностировать. Например, если сервер недоступен, мы должны попробовать подключится по SSH, подключится по IPMI, посмотреть, если нет ответа, он завис или еще что-то, вы прописываете какое-то лечение.
Дальше, когда вы пишите автоматизацию, все должно пройти через оператора. У нас есть policy, что мы любую автоматизацию, примерно 3–6 месяцев она решается через оператора.
Мы собрали всю информацию о проблеме, и оператору вываливается эта информация, такой-то сервер недоступен по такой-то причине, и указывается, что нужно сделать, и спрашивается подтверждение у оператора. Оператор обладает очень важными знаниями. Он знает, что сейчас какая-то проблема с сервисом. Он, например, знает, что этот сервер нельзя перезагружать, потому что на нем еще что-то запущено. Поэтому его нельзя просто перезапустить. Поэтому каждый раз, когда оператор сталкивается с какой-то проблемой, он вносит какие-то улучшения в этот скрипт автоматизации, и с каждым разом он становится все лучше.
Здесь существует большая проблема, это лень операторов. Они начинают автоматизировать автоматизацию. Они автоматически вставляют сюда yes:
Поэтому некоторое время мы писали не yes/no, а: «Да, я действительно хочу то-то, то-то». В разном регистре, рандомно проверяли что это действительно консоль. Это очень важно.
Также важно иметь хуки. Потому что не всё всегда можно проверить. Хуки могут быть очень простыми, например, если на сервере запущен ZooKeeper, то нам нужно проверить что все члены группы работают (скрипт с ошибками), по сути мы просто проверяем что-то:
Эти хуки расположены по всему flow, везде после алертов есть хуки, в диагностическом плагине и т.д. Вы можете для вашего сервиса создать свой хук.
Дальше идет решение проблемы:
Оно может быть очень простым. Например, перезапустить этот сервер. Запустить puppet, chef и т.д.
Это Naoru. Это reactive remediation. Которое позволяет нам реагировать на событие очень быстро и чинить их очень быстро.
Также есть open-source решения. Самый популярный — это StackStorm от русских ребят. У них очень хорошее решение, достаточно популярное. Также это можно сделать своими решениями вроде riemann или OpsGenie и т.д.
Есть решения проприетарные. От Facebook это FBAR (facebook auto-remediation). Nurse от Linkedin«a. Они закрыты, но они постоянно рассказывают про эти решения. Например, Facebook недавно делал доклад о проблеме переноса всей стойки через свой инструмент.
Но автоматизация бывает не только реактивная (здесь и сейчас), но и автоматизация, которую нужно сделать за долгий промежуток времени. Например, нам нужно обновить 10 тысяч серверов, перезагрузив их. Например, нужно обновить драйвер, ядро и еще что-то сделать. Это может занять большой промежуток времени: месяц, год и т.д. В реактивной системе нельзя это постоянно контролировать.
Поэтому у нас есть еще такая система Wheelhouse.
Есть схема, как она работает. Сейчас я расскажу, что там.
По сути у нас есть кластер базы данных, у которой есть один master. A и есть два slave. Нам нужно заменить этот master, например, мы хотим обновить ядро. Чтобы его заменить нам нужно запромоутить slave, депромоутить тот master, удалить его. У нас есть требование в Dropbox, у нас в кластере всегда должно быть два slave для такой конфигурации. У нас есть некое состояние этого кластера. HostA находится в production, он master, он еще не освобожден, количество slave у нас два, но нам нужно три для этой операции.
У нас есть некая стейт-машина, которая все это делает.
Из replace_loop (синяя стрелочка) мы видим, что наш сервер находится в production, и нам не хватает slave«ов, и мы переходим в состояние выделить еще slave. Мы приходим в это состояние, мы инициируем работу создать новый клон с master«a новый slave. Это запускается где-то в Orchestrator, мы ждем. Если работа завершена, и все хорошо, то мы переходим к следующему шагу. Если был fail, то переходим в состояние failure. Дальше мы добавляем в этот хост новый slave в production, тоже инициируем в Orchestrator эту работу, ждем и возвращаемся в replace_loop.
У нас теперь примерно такая схема:
Один хост — это master, есть три slave. Мы удовлетворяем условие что нам хватает slave’ов. После этого мы переходим в состояние promote.
На самом деле это depromote. Потому что нам нужно master сделать slave«ом, а какой-то slave master«ом. Тут все тоже самое. Добавляется работа в Orchestrator, проверятся условие и так далее, остальные шаги примерно такие же. Мы после этого удаляем master с production, убираем с него трафик. Удаляем master в инсталлятор, чтобы люди, которые занимаются этим сервером, могли что-то обновить на нем.
Этот блок очень маленький, но он участвует в более сложных блоках. Например, если нам нужно перенести целую стойку в другую стойку, потому что драйвера на свитчах меняются, и нам нужно просто всю стойку отключить чтобы перезагрузить свитч. У нас много описано таких диаграмм-состояний для разных сервисов, как их гасить, как их поднимать. Это все работает. Даже математически можно доказать, что у вас система всегда будет находиться в рабочем состоянии. Почему это сделано через STM, а не в режиме процедур? Потому что если это долгий процесс, например, клонирование может занимать час или около того, то у вас может случиться что-то еще, и состояние вашей системы изменится. В случае с машиной состояний вы всегда знаете, какое состояние и как на него реагировать.
Мы теперь используем это в других проектах. Эти 4 метода, которые вы можете использовать, чтобы повышать доступность и сохранность ваших данных. Я не рассказывал про конкретные решения, потому что в любой крупной компании решения пишут все сами. Мы конечно используем какие-то стабильные блоки, например, для баз данных мы используем MySQL, но сверху мы навернули свой графовый storage. Для репликации мы использовали semi sync, но сейчас у нас своя репликация, что-то вроде Apache BookKeeper, также proxdb мы используем. Но в целом все решения у нас свои, поэтому я не упоминал про них, потому что они скорее всего не похожи на ваши. Но вот эти методы вы можете использовать с любыми вашими решениями, с open source или нет. Чтобы улучшить вашу доступность.
На этом все, спасибо!
