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2 Data grid Du cache distribué aux grilles de données Cyrille Le Clerc Xebia

3 Data grid Du cache distribué aux grilles de données Erwan Alliaume Xebia

4 Data grid Du cache distribué aux grilles de données Jean-Michel Bea Fast Connect

5 «Du cache distribué aux grilles de données» Grid computing 5

6 Intervenants Cyrille Le Clerc (Xebia) Erwan Alliaume (Xebia) Jean-Michel Bea (Fast Connect) Grid computing 6

7 Sommaire Caches distribués Network Attached Memory Grilles de données Data Grid, Cloud et les autres Grid computing 7

8 Cache distribué

9 Votre DBA! Grid computing 9

10 Votre manager Small number of items may make up the bulk of sales Chris Anderson Wired Magazine Grid computing 10

11 Votre application Grid computing 11

12 Une solution? J'ai une idée! Distribuons et cachons notre application Grid computing 12

13 Architecture existante Cache Application BDD 13 Architecture cible Cache Cache Cache Application Application Application BDD

14 Exemples de produits Ehcache Jboss Cache Solution open source la plus populaire Cache Thread-Safe in memory Configuration XML (ehcache.xml) Participation aux transaction JTA Très léger JSR-107 Jcache implementation Singleton / multi instances RI pour le JDK SE 8 ou 9 :) JSR-107 JCache implementation Memory / Disk / Cluster storage Memory / Disk storage Ajout possible de listeners (Cache Manager / Cache Event) JMX Here we are! Distributable 14 Listeners may be plugged in (Cache Manager / Cache Event) JMX Distribuable sur l un ou plusieurs nœud d un cluster

15 Utilisation d un cache Manipulation directe cache.put( Element element ) cache.get ( Object key ) Pull through / Self populating cache.get ( Object key ) Hibernate cache L2 Hibernate / sans cache : 192 secondes Hibernate / Ehcache L2 : 60 secondes Accès direct à Ehcache : 20 secondes Accès direct à Ehcache / session optim: 1 secondes => L2 Ca ne scale pas! get / put sur 1 seul objet => données à répliquer partout 15

16 Storage Mémoire Toujours disponible / Thread safe Souvent basée sur une LinkedHashMap du JDK Peut contenir des Object Non persistent Do not forget, disk is cheap Disque Optionnel, à configurer Doit contenir des Serializable Attention à la sérialisation Java : un Byte[] est 20 fois plus rapide qu un String Jdbc Attention à ne pas perdre de vu le but du cache! 16

17 Cache distribué Plusieurs mécanismes, même problématiques RMI Cache Réplication Cache JGoups Cache Server Application Application Terracotta JMS replication (ehcache 1.6) BDD Plusieurs sources de données, danger! Possibilité de lire des données incohérentes Mises à jour concurrentes Notifications, évictions, contraintes de fiabilité Même problème qu une mémoire partagée Est-ce un problème? Pas forcément! 17

18 Eviction Suppression des éléments du cache Permet de sizer votre cache Time-based / Cache size / Heap size Based LRU / LFU / FIFO / Custom Quelque fois régionalisable (dans Jboss Cache) (deprecated) /myshop : éviction au bout de 10 minutes /myshop/product/pricelist : aucune éviction /myshop/shoppingcarts : éviction au bout de 30 minutes

19 Transaction et réplication Avec transaction Réplication au commit, en 1 seul message Au rollback, aucune réplication Sans transaction Réplication immédiate! 1000 mises à jours => 1000 messages Transactions => cache plus performant? Nécessite la création de message pour faire des locks Fait transférer de gros volumes de données d un coup

20 Réplication VS invalidation La meilleure stratégie? Ca dépend! Si vous êtes le seul à connaitre l élément Utilisez l élément lui-même en payload (réplication) Si l élément est disponible en BDD, 2 options La réplication : envoie de l élément sur les autres caches L invalidation des autres caches Problèmes liés à l invalidation (ou faible TTL) But des caches distribués? Réduire le nombre d acces à la base! L invalidation force le rechargement des objets à partir de la BDD L invalidation n est pas adapté pour les objets souvent mis à jours 20

21 Notifications Mises à jour Asynchrones Rend la main rapidement Mises à jour Synchrones Freine l exécution locale Les mises à jour asynchrones peuvent engendrer des incohérences de données Les mises à jour synchrones permet d attendre la validation des notifications 21

22 Loaders Charger des éléments dans le cache A partir d une source de données (store) File store / Jdbc Store / Oracle Berkeley DB / Jdbm Exporter des éléments du cache Lors des put et évictions Différents type de loaders Loader hiérarchiques utilise TCP pour acceder à des caches distants Clustered loader Recherche de données sur un cluster / Lazy state transfer Loader chainé

23 Loaders, course aux features? Local Cache Share the same store Loader Store Loader 1 One cache with a store Hierarchical caches Loader Loader Loader 2 Store Dedicated store Loader Loader Loader Store Loader Store Loader Multiple cache loader Store Loader 5 6 Store Loader 4 3 Store Store Store

24 Network attached memory (NAM)

25 Application VS JVM clustering Caches distribués Your classes Serialization Your classes Your classes Your classes Spring Spring Spring Hibernat e Hibernate Hibernate ORM Spring Hibernat e Clustered 2nd Level Cache JVM Network attached memory JVM JVM JVM NAM :Terracotta Cas d utilisation : Réplication de session Cache distribué Database offload Workload partitioning 25

26 Terracotta overview Joue la carte de la transparence ROOT Aucun GET ni PUT Clustering-as-a-service => Utilisation massive de l instrumentalisation Définition d objets Root partagés Durée de vie de la JVM Jamais nettoyés par la JVM Objets Super static Attention à ne pas partager n importe quoi Trop de partage tue le partage (surtout le réseau!!) La transparence, c est vite la porte ouverte à faire n importe quoi 26

27 Network attached memory Virtual Heap Contient tous les objets partagés du cluster Managée par le(s) TC server(s) Terracotta Les clients utilisent leur objets à leur souhait Tout ou partie du des graphes d objets Simulation de Swap TC peut insérer des valeurs fictives pour optimiser la mémoire Virtual GC Supprime les objets non référencés Objets atteignable par aucune Root Objets ne résidant chez aucun client 27

28 Les mécanismes de locks Niveaux de Lock Named locks Aux points d entrée et sortie seulement Ecriture Granularité approximative Lecture Autolocks Ecriture synchrone Concurrent Plus efficace que les Named Locks Utilisable sur des objets du cluster Il manquerait une intégration avec un Transaction Manager Spring 28

29 Distributed Method Invocation Invocation de méthodes distribuées (DMI) Déclaration de DM sur un objet du cluster Appel de l a méthode sur l un des nœud du cluster Chaque JVM possédant cet objet exécute cette méthode Objet non présent dans la Heap, pas d appel! Distributed Object callme() JVM 1 o.callme() JVM 2 o.callme() JVM 3 o.callme() Attention à l utilisation! Aucune garantie que la méthode soit exécutée partout! Mauvaise idée si l on veut coordonner les actions aux données

30 Caching Terracotta est utilisable pour du caching Avec EHCache (en mode non distribué) Le cache est persistable sur le disque Ehcache distribué Node 1 Terractotta + ehcache Node 2 Node 1 Node 2 Disk Disk Terracotta Server DB DB Disk 30

31 Terracotta optimizations Privilégie la lecture dans les caches mémoire Les champs des objets sont séparés sur le disque, mais restent aussi proches que possible Chaque champ est récupérable individuellement Lit seulement ce qu on a besoin, rien de plus Lecture à partir du serveur temps lecture sur disque Message customisé, la JVM patch sa propre mémoire => Peu générer beaucoup de requêtes sur le réseau Ecriture en batch, des mises à jour fines N utilise pas la sérialisation Java Ecriture champ à champs => on ne transmet pas le graph complet Ecriture sur disque en append uniquement Rien n est trié, indexé, déplacé sur le disque 31

32 From network attached memory to datagrid! 32

33 LB / Partitioning / Data affinity Partitioned data Reduce the need for broadcast and cluster communication However, makes high availability more Load Load Balancer Balancer challenging Partitioned cache lives only in one place AS 1 AS 2 DB 33 AS 1 DB (evens) AS 2 DB (odds)

34 Clustering Threads Works with part of java.util.concurrent Application JVM Java Synchronized( this ) { } Byte code MONITORENTER( ID ); MONITOREXIT ID ); Terracotta libraries LockAcquired ( ID ); LockRelease( ID); Terracotta server lock manager 34

35 Data Grid V1 One unique queue This Single Queue is the bottleneck! Worker 1 JVM Master 1 JVM Worker 2 JVM java.util.queue Master 2 JVM Worker 3 JVM Add Worker on demand 35

36 Data Grid V2 2 queues per worker java.util.queue Add routing ID java.util.queue java.util.queue java.util.queue Master 1 JVM Dynamic Router Master 2 JVM java.util.queue java.util.queue java.util.queue java.util.queue 36 Worker 1 JVM Worker 2 JVM Worker 3 JVM Add Worker on demand

37 Grilles de données

38 Partitionner pour tenir la charge

39 Partitionner pour tenir la charge Tout sur le même serveur : déjà vu, souvent possible mais très couteux Jusqu à 1.5 To de RAM et 64 processeurs Data Mainframe Grid computing 39

40 Partitionner pour tenir la charge Data Grid Partition data on several servers Partition gamma Small Server Partition beta Small Server Data Mainframe Partition alpha Small Server

41 Répliquer pour la disponibilité

42 Répliquer pour la disponibilité Performances té Read / Write ili b i on p Dis master Master Read Only Sync replica Sync replica Partition alpha Async replica Read Only Async replica Partition alpha

43 Répliquer pour la disponibilité master Sync replica Active Data Center es d vec ones a ce chr n e ili asyn s é r La plicas ré Async replica Stand By Data Center

44 JVM JVM JVM n Container n Catalog Catalog Service Service JVM 2 Container 2 JVM 1 Container 1 Partitionner et Répliquer master Sync replica Sync replica master Async replica Async replica partition alpha partition gamma

45 Du Near Cache à la grille de données

46 Le Near Cache Application avec un near cache Da tab a Ab se S sor ho ber ck Datagrid Central Database Application cluster Cache partition alpha Cache partition gamma Cache partition beta Client near cache Client near cache Node 1 Node n Grid computing 46

47 Les limites du Near Cache Datagrid Latency! Bandwith! Partition gamma Client near cache Partition beta Application Partition alpha Grid computing 47

48 Du Near Cache à la Grille de Données Datagrid Stop data transfer Partition gamma Client near cache Partition beta Application Partition alpha Grid computing 48

49 Du Near Cache à la Grille de Données t en s em t i ra es t r né e s li don a c et o l Co Datagrid partition alpha... Application partition gamma Grid computing 49

50 La grille de donnée

51 La grille de données Datagrid Reduced data transfer Collocated data & business logic partition alpha datagrid enabled app partition beta Reduced Business Logic partition gamma Grid computing Collocated data & business logic 51

52 La grille de données Les données sont partionnées Traitements et données sont colocalisés Le volume de données est limité aux requêtes et aux fragments de résultat Grid computing 52

53 Structurer ses données pour la grille

54 Grid computing 54

55 Partitionner les données Seat number price Booking reduction TrainStop date TrainStation code name Passenger name Train code type Modélisation orientée objet classique Grid computing 55

56 Partitionner les données Partitioning ready entities tree e Root n ti ty Seat number price Booking reduction Passenger name Train code type Du TrainStop date TrainStation code name plic Ref e at e ren d i ce n e da ach ta pa rt it ion Root entity, clef de partitionnement, sub-entities & duplication de données de référence Grid computing 56

57 Partitionner les données R em Train Seat number price booked ove un us ed da Booking reduction ta Passenger name code type TrainStop date TrainStation code name Suppression des données inutiles à la logique métier Grid computing 57

58 Partitionner les données Train U sh n m are od no èle thi ng Seat number price booked code type TrainStop date TrainStation code name Modélisation partitionnée grid ready Des données façonnées au besoin métier Grid computing 58

59 Partitionner les données Account number Account number from CashWitdrawal date amount to MoneyTransfer id date amount CashWitdrawal date amount Casser les relations pour partitionner Situation de comptes bancaires Grid computing 59

60 Partitionner les données MoneyTransfer est partagé par 2 instances de la root entity! Account number Account number from CashWitdrawal date amount to MoneyTransfer id date amount CashWitdrawal date amount Casser les relations pour partitionner Situation de comptes bancaires Grid computing 60

61 Partitionner les données Découper MoneyTransfer en 2 entités Et casser le lien! Account number CashWitdrawal date amount Account number MoneyTransferIn id date amount MoneyTransferOut id date amount CashWitdrawal date amount Casser les relations pour partitionner Situation de comptes bancaires Grid computing 61

62 Partitionner les données Les instances d Account sont isolées! Account number CashWitdrawal date amount Account number MoneyTransferIn id date amount MoneyTransferOut id date amount CashWitdrawal date amount Casser les relations pour partitionner Situation de comptes bancaires Grid computing 62

63 Partitionner les données Acc oun t es t la roo t en Account number CashWitdrawal date amount MoneyTransferOut id date amount tity de la g rille! MoneyTransferIn id date amount Modélisation partitionnée grid ready Des données façonnées au besoin métier Grid computing 63

64 Le modèle de programmation À la Grid computing JPA 64

65 Le modèle de programmation API de haut niveau à la JPA (persist, merge, remove, find) Relations entre Versioning Indexation des attributs Query language ("select e from Employee e where e.lastname=:lastname" ) Grid computing 65

66 Les Design patterns nt e m e t trai ns e l o i r t i t e r y Envo tes les pa u o t r u s departure =Paris Datagrid arrival =Marseille departuretime =2009 /05/01 15 :00 Search trains partition alpha datagrid enabled app Search trains partition beta Map Reduce Search trains Grid computing partition gamma 66

67 Les Design patterns ne r u o t n re ltat o i t i t r pa ésu r e u e q d Cha agment un fr Datagrid Paris -> Marseille - 14: Paris -> Lyon -> Marseille 15:05 Search trains partition alpha datagrid enabled app NULL Map Reduce Search trains partition beta Paris -> Marseille - 15: Paris -> Marseille - 15:35 Search trains Grid computing partition gamma 67

68 Les Design patterns les e g è gr a ats t t l n u e i s l é Le c nts de r e m g a r f Datagrid Search trains partition alpha datagrid enabled app Search trains partition beta Paris Paris Paris Paris -> Marseille - 14:35 -> Lyon -> Marseille 15:05 -> Marseille - 15:05 -> Marseille - 15:35 Search trains Map Reduce Grid computing partition gamma 68

69 Les Design patterns Datagrid lise a é r ion t i t r a le p u nt e e s m e e it Un le tra Book Ticket partition alpha datagrid enabled app Book Ticket partition beta Book 1 seat on train 0153 Book Ticket Request Routing Grid computing partition gamma 69

70 Transactions et ACIDité Mais et l' ACID dans tout ça? Théoriquement possible (Transaction distribuée, 2 phases commit) Supporté par certains outils (GigaSpaces) Est-ce vraiment une bonne chose? Grid computing 70

71 Interactions avec la base de données

72 Interactions avec la BDD Co Data Grid mm ent syn chr oni s er? Partition gamma Insert + update + delete Partition beta Select (new, modified, deleted ) Central Database Partition alpha Grid computing 72

73 Interactions avec la BDD Grille Data Grid Partition gamma datagrid enabled app erge, persist, m remove ins ert,u pd ate, de lete insert, update, delete Partition beta ete l e e, d t a d, up t r e ins Partition alpha -> B DD Grid computing Central Database Entities Modifications Listener 73

74 Interactions avec la BDD ee r u t i r Ec BD a l r u ch s t a b n D Ca ch ew rite Entities Sync Modifications Listener datagrid enabled app lat en cy Queue persist, merge, remove batch insert, update, delete Partition Central Database Entities Async Batch Modifications Listener Ecriture en batch à la BDD Supporte l indisponibilité de la BDD Hautement disponible par la réplication de la queue Grid computing 74

75 Interactions avec la BDD les tecter é d t n e DD? Comm B a l e d ents m e g n a ch Data Grid Partition gamma Non datagrid enabled app insert, update, delete create, merge, remove Central Database Partition beta Partition alpha Grid computing 75

76 Interactions avec la BDD BDD -> Grille Data Grid Ca ch er ea dl Partition gamma ate nc y sel ect select Partition beta Central Database ct sele select id from train where last_modification >? Partition alpha Synchronization Daemon select id from sys_deleted where table= train and last_modification >? Grid computing 76

77 Interactions avec la BDD System Change Number Sur chaque table, une colonne système porte un numéro croissant de la dernière transaction Utilisé pour les checkpoints et la réplication Support natif dans : Oracle: introduit en10g, le SCN est un nombre similaire au numéro de révision Subversion DB2: introduit en 9.5, le SCN est un timestamp Equivalent manuel : une colonne timestamp La liste des lignes supprimées est stockée dans une table système Grid computing 77

78 Interactions avec la BDD Les API de loaders Lire en base les données manquantes List<entity> get(list<id>) Persister en base les modifications void persist(list<type, entity>) type : insert, update, delete Bulk load depuis la base au démarrage de la grille preload(grid) /!\ les opérations doivent être multi entités pour tenir la charge! Grid computing 78

79 Interactions avec la BDD Loaders internes : Pros L accès à la base est regroupé dans la grille => cohesiveness La charge d accès à la base est répartie sur les partitions Write behind permet de batcher les accès à la base Cons Comment un loader peut-il ne charger que les données de sa partition? «Je suis le loader de la partition beta, comment puis-jet interroger la base sur les seules données gérées par la partition beta? Je dois connaitres l algorithme de partionnement» Grid computing 79

80 Interactions avec la BDD Data Grid Le lo ade r ex tern e select Central Database t pu External loader cluster Partition gamma Node 1 put Partition beta Node n pu t Partition alpha Grid computing 80

81 Interactions avec la BDD Loaders externes : Pros Simple, le partitionnement est réalisé par la grille Cons Le loader externe devient le goulet d étranglement des performances Le code d accès à la base est disséminé entre la grille et le loader externe => loss of cohesiveness Grid computing 81

82 Et les batchs? Une grille de données peut écourter les nuits batch en parallélisant les traitements.

83 Cloud, Grid, XTP et les autres

84 Les acteurs

85 Les acteurs Distributed HashTable (DHT), Key Value Store SimpleDB, DataStore / BigTable / Hypertable, Memcached Compute Grid GridGain In Memory DataGridGigaSpaces, Oracle Coherence, Websphere extrem Scale. File system DataGridHadoop

86 Questions / Réponses

87 Sponsors Grid computing 87

88 Merci de votre attention!

89 Licence Grid computing 89

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