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Apache BookKeeper是一款企業(yè)級存儲系統(tǒng)，最初由雅虎研究院研發(fā)，在2011年作為Apache ZooKeeper的子項目進行孵化，在2015年1月成為 Apache頂級項目。

起初，BookKeeper是一個預寫日志(WAL)系統(tǒng)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，BookKeeper的功能更加完善，比如為Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)的NameNode提供高可用和多副本，為消息系統(tǒng)比Pulsar提供存儲服務，為多個數(shù)據(jù)中心提供跨機器復制。

1 使用場景

BookKeeper最初的一個使用場景是為HDFS的NameNode保存edit log，如下圖：

ZKFC是一個Zookeeper的客戶端，主要用來監(jiān)測和管理NameNode狀態(tài)，每個NameNode機器上都會運行一個ZKFC，它的職責主要有三個：

• 健康檢查
• Zookeeper會話管理
• 選舉，當集群中一個Active NameNode宕機，Zookeeper會自動選擇一個節(jié)點作為新的Active NameNode。

BookKeeper記錄NameNode的edit log(edit log存放文件系統(tǒng)的操作日志)，NameNode的所有修改都會記錄到BookKeeper。這樣active NameNode宕機后，BookKeeper用保存的edit log去standby NameNode做回放，之后切換成active NameNode。

BookKeeper具有如下特性：

• 一致性：因為edit log保存的是HDFS的元數(shù)據(jù)，對一致性要求很高
• 低延遲：為了不丟數(shù)據(jù)，需要低延遲
• 高吞吐：為了支持更多的NameNode節(jié)點，需要高吞吐

2 節(jié)點對等

Bookie中保存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖：

writer寫數(shù)據(jù)時，把entry并發(fā)寫入多個bookie節(jié)點的Ledger。這類似于文件系統(tǒng)寫數(shù)據(jù)時首先會打開一個文件，如果文件不存在，則會創(chuàng)建文件元數(shù)據(jù)。

Ledger也就是Pulsar中的segment。

writer寫數(shù)據(jù)時，首先會打開一個新Ledger，函數(shù)如下：

openLedger(組內(nèi)節(jié)點數(shù)目、數(shù)據(jù)備份數(shù)目、等待刷盤節(jié)點數(shù)目) 

比如(5,3,2)代表組內(nèi)共有5個Bookie節(jié)點，寫數(shù)據(jù)時需要寫入3個節(jié)點，有2個節(jié)點返回成功代表寫入成功。

這樣寫入的這3個節(jié)點數(shù)據(jù)完全一樣，關系是對等的，不存在主從關系。

2.1 數(shù)據(jù)讀寫

BookKeeper數(shù)據(jù)讀寫如下圖：

writer以roundrobin的方式寫入bookie，比如在上圖中，第一條數(shù)據(jù)寫入Bookie1、Bookie2和Bookie3，第二條數(shù)據(jù)寫入Bookie2、Bookie3、Bookie4，第三條數(shù)據(jù)寫入Bookie3、Bookie4、Bookie5，第四條數(shù)據(jù)寫入Bookie4、Bookie5和Bookie1。

在打開一個Ledger時，就傳入了bookie數(shù)量，這樣在寫每個entry時，就用entry的id跟bookie數(shù)量取模，來確定寫到哪幾個bookie上。比如第3條消息跟5取模是3，就寫到Bookie3、Bookie4和Bookie5。

這樣以輪詢的方式將Ledger數(shù)據(jù)寫入各個bookie節(jié)點，每個bookie節(jié)點的數(shù)據(jù)是均衡的，每個bookie節(jié)點的磁盤帶寬和網(wǎng)卡帶寬都能得到充分利用。

2.2 讀高可用

Reader在讀取數(shù)據(jù)時，可以讀取多份數(shù)據(jù)中的任意一份數(shù)據(jù)。BookKeeper會設置一個讀超時時間，如果讀取超時了，會給另外一個bookie節(jié)點(speculative read)發(fā)送讀請求。

2.3 寫高可用

如果某個bookie節(jié)點(比如bookie5)發(fā)生故障不能寫入了，BookKeeper會做如下處理：

• 記錄出錯的entry id
• 對故障節(jié)點的數(shù)據(jù)進行封裝
• 關閉當前的Ledger，重新打開一個新的Ledger，這個Ledger會重新選擇bookie節(jié)點，1、2、3、4、6。
• 如果bookie5恢復，就不再提供寫服務了，只提供讀服務。
• 如果不能恢復，就把bookie5的數(shù)據(jù)，從其他節(jié)點的備份中恢復到新的節(jié)點上，這個過程需要根據(jù)Ledger id跟5取模來判斷是否落到bookie5上，數(shù)據(jù)恢復過程并不影響Reader，因為其他兩份數(shù)據(jù)可以繼續(xù)提供服務。

3 I/O模型

BookKeeper的I/O模型如下圖，這個圖是單個bookie的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)：

整個流程入下：

Writer寫入的數(shù)據(jù)首先到達Journal，Journal將數(shù)據(jù)進行group后刷到到Journal盤，這個刷盤的數(shù)據(jù)順序跟writer寫入順序一致。

Writer寫入Journal Disk是實時刷盤。

Journal Disk的數(shù)據(jù)會寫入memory table進行數(shù)據(jù)整理，把同一個topic的數(shù)據(jù)整理到一起。

把整理好的數(shù)據(jù)刷盤。Index Disk保存entry的index，對應entry在Logger Disks的offset。

3.1 讀寫分離

讀取數(shù)據(jù)時，首先從Memory Cache中讀取數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不存在，才會去Index Disk和Logger Disk讀取數(shù)據(jù)。而寫數(shù)據(jù)是實時落盤到Journal Disk，這樣實現(xiàn)了讀寫隔離。

3.2 強一致性

數(shù)據(jù)可以實時刷盤到Journal Disk,保證了數(shù)據(jù)的強一致性。

3.3 靈活SLA

對于寫性能要求高的業(yè)務場景，可以單獨加強Journal盤性能，而對于讀性能要求高的場景，可以加強Ledger Disk和Index Disk的性能。

4 Pulsar中的使用

Pulsar的架構(gòu)圖如下：

每次Producer生成的消息實時落盤后，給Producer返回一個ACK。

Consumer消費消息后，還會修改Cusor中保存的offset，并且也會記錄到BookKeeper。這樣保證了Cursor的一致性。