Используем mcrouter для горизонтального масштабирования memcached
Разработка высоконагруженных проектов на любом языке требует особого подхода и применения специальных инструментов, но когда речь заходит о приложениях на PHP, ситуация может обостриться настолько, что приходится разрабатывать, к примеру, собственный сервер приложений. В данной заметке речь пойдет про знакомую всем боль с распределенным хранением сессий и кэшировании данных в memcached и о том, как мы решали эти проблемы в одном «подопечном» проекте.
Виновник торжества — приложение на PHP, базирующееся на фреймворке symfony 2.3, обновлять который в планы бизнеса совсем не входит. Помимо вполне стандартного хранения сессий в этом проекте вовсю использовалась политика «кэширования всего» в memcached: ответов на запросы к БД и API-серверам, различных флагов, блокировок для синхронизации выполнения кода и многого другого. В такой ситуации поломка memcached становится фатальной для работы приложения. Вдобавок, потеря кэша ведет к серьезным последствиям: СУБД начинает трещать по швам, API-сервисы — банить запросы и т.д. Стабилизация ситуации может занять десятки минут, а в это время сервис будет жутко тормозить или вовсе станет недоступным.
Нам потребовалось обеспечить возможность горизонтального масштабирования приложения малой кровью, т.е. с минимальными изменениями исходного кода и полным сохранением функциональности. Сделать кэш не только устойчивым к отказам, но и постараться минимизировать потери данных из него.
Что не так с самим memcached?
Вообще, расширение memcached для PHP «из коробки» поддерживает распределенное хранение данных и сессий. Механизм консистентного хеширования ключей позволяет равномерно размещать данные на многих серверах, однозначно адресуя каждый конкретный ключ определенному серверу из группы, а встроенные средства failover’а обеспечивают высокую доступность сервиса кэширования (но, к сожалению, не данных).
С хранением сессий дела обстоят немного лучше: можно настроить memcached.sess_number_of_replicas, в результате чего данные будут сохраняться сразу на несколько серверов, а в случае отказа одного экземпляра memcached данные будут отдаваться с других. Однако, если сервер вернется в строй без данных (как обычно бывает после рестарта), часть ключей будет перераспределена в его пользу. Фактически это будет означать потерю данных сессии, так как нет возможности «сходить» в другую реплику в случае промаха.
Стандартные средства библиотеки направлены, в основном, именно на горизонтальное масштабирование: они позволяют увеличить кэш до гигантских размеров и обеспечить доступ к нему из кода, размещенного на разных серверах. Однако в нашей ситуации объем хранимых данных не превышает нескольких гигабайт, да и производительности одного-двух узлов вполне хватает. Соответственно, из полезного штатные средства могли бы лишь обеспечить доступность memcached при сохранении хотя бы одного экземпляра кэша в рабочем состоянии. Впрочем, даже этой возможностью воспользоваться не получилось… Здесь следует напомнить про древность фреймворка, использованного в проекте, из-за чего заставить работать приложение с пулом серверов никак не удавалось. Не будем также забывать о потерях данных сессий: от массового разлогинивания пользователей у заказчика дергался глаз.
В идеале требовалась репликация записи в memcached и обход реплик в случае промаха или ошибки. Реализовать эту стратегию нам помог mcrouter.
mcrouter
Это роутер для memcached, разработанный компанией Facebook с целью решения её проблем. Он поддерживает текстовый протокол memcached, который позволяет масштабировать инсталляции memcached до безумных размеров. Подробное описание mcrouter можно найти в этом анонсе. Помимо прочей широкой функциональности он может то, что нужно нам:
реплицировать запись;
делать fallback на другие сервера группы в случае возникновения ошибки.
Почему три пула? Почему повторяются серверы? Давайте разберемся, как это работает.
В данной конфигурации mcrouter выбирает путь, по которому будет отправлен запрос исходя из команды запроса. Об этом ему говорит тип OperationSelectorRoute.
GET-запросы попадают в обработчик RandomRoute, который случайным образом выбирает пул или маршрут среди объектов массива children. Каждый элемент этого массива в свою очередь является обработчиком MissFailoverRoute, который пройдется по каждому серверу в пуле, пока не получит ответ с данными, что и будет возвращен клиенту.
Если бы мы использовали исключительно MissFailoverRoute с пулом из трех серверов, то все запросы приходили бы сперва на первый экземпляр memcached, а остальные получали бы запросы по остаточному принципу, когда данные отсутствуют. Такой подход привел бы к чрезмерной нагрузке первого в списке сервера, поэтому и было решено сгенерировать три пула с адресами в разной последовательности и выбирать их случайным образом.
Все остальные запросы (а это запись) обрабатываются с помощью AllMajorityRoute. Данный обработчик отправляет запросы на все серверы пула и ждет ответов, как минимум, от N/2 + 1 из них. От использования AllSyncRoute для операций записи пришлось отказаться, так как данный метод требует положительного ответа от всех серверов группы — в противном случае он возвратит SERVER_ERROR. Хоть при этом mcrouter и сложит данные в доступные кэши, но вызывающая функция PHP возвратит ошибку и сгенерирует notice. AllMajorityRoute не столь строг и позволяет выводить до половины узлов из эксплуатации без вышеописанных проблем.
Основной минус этой схемы в том, что если данных в кэше действительно нет, то на каждый запрос от клиента фактически будет выполнено N запросов к memcached — ко всем серверам в пуле. Можно сократить количество серверов в пулах, например, до двух: жертвуя надежностью хранения, мы получим большую скорость и меньшую нагрузку от запросов к отсутствующим ключам.
NB: Полезными ссылками для изучения mcrouter могут также оказаться документация в wiki и issues проекта (в том числе и закрытые), представляющие целый кладезь различных конфигураций.
Сборка и запуск mcrouter
Приложение (и сам memcached) у нас работает в Kubernetes — соответственно, там же место и mcrouter. Для сборки контейнера мы используем werf, конфиг для которого будет выглядеть следующим образом:
NB: Листинги, приведённые в статье, опубликованы в репозитории flant/mcrouter.
… и набрасываем Helm-чарт. Из интересного — здесь только генератор конфига от количества реплик (если у кого-то есть более лаконичный и элегантный вариант — делитесь в комментариях):
# php -a
Interactive mode enabled
php > # Проверяем запись и чтение
php > $m = new Memcached();
php > $m->addServer('mcrouter', 11211);
php > var_dump($m->set('test', 'value'));
bool(true)
php > var_dump($m->get('test'));
string(5) "value"
php > # Работает! Тестируем работу сессий:
php > ini_set('session.save_handler', 'memcached');
php > ini_set('session.save_path', 'mcrouter:11211');
php > var_dump(session_start());
PHP Warning: Uncaught Error: Failed to create session ID: memcached (path: mcrouter:11211) in php shell code:1
Stack trace:
#0 php shell code(1): session_start()
#1 {main}
thrown in php shell code on line 1
php > # Не заводится… Попробуем задать session_id:
php > session_id("zzz");
php > var_dump(session_start());
PHP Warning: session_start(): Cannot send session cookie - headers already sent by (output started at php shell code:1) in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to write session lock: UNKNOWN READ FAILURE in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Unable to clear session lock record in php shell code on line 1
PHP Warning: session_start(): Failed to read session data: memcached (path: mcrouter:11211) in php shell code on line 1
bool(false)
php >
Поиск по тексту ошибки результата не дал, однако по запросу «mcrouter php» в первых рядах значилась старейшая незакрытая проблема проекта — отсутствие поддержки бинарного протокола memcached.
NB: ASCII-протокол в memcached медленнее бинарного, а также штатные средства консистентного хэширования ключей работают только с бинарным протоколом. Но проблем для конкретного случая это не создаёт.
Дело в шляпе: осталось лишь переключиться на ASCII-протокол и всё заработает…. Однако в данном случае привычка искать ответы в документации на php.net сыграла злую шутку. Правильного ответа вы там не найдете… если, конечно, не долистаете до конца, где в секции «User contributed notes» будет верный и незаслуженно заминусованный ответ.
Да, правильное название опции — memcached.sess_binary_protocol. Её необходимо отключить, после чего сессии начнут работать. Осталось лишь положить контейнер с mcrouter в pod с PHP!
Заключение
Таким образом, одними лишь инфраструктурными изменениями нам удалось решить поставленную задачу: вопрос с отказоустойчивостью memcached решен, надежность хранения кэша повышена. Помимо очевидных плюсов для приложения это дало пространство для маневра при проведении работ над платформой: когда все компоненты имеют резерв, жизнь администратора сильно упрощается. Да, этот метод имеет и свои недостатки, может выглядеть «костылем», но если он экономит деньги, хоронит проблему и не вызывает новых — почему бы и нет?