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分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展歷程,我按照年代進(jìn)行了分類,到目前為止分成了四代。第一代是基于簡(jiǎn)單的分庫(kù)分表或者中間件來做 Data Sharding 和 水平擴(kuò)展。第二代系統(tǒng)是以 Cassandra、HBase 或者 MongoDB 為代表的 NOSQL 數(shù)據(jù)庫(kù),一般多為互聯(lián)網(wǎng)公司在使用,擁有很好的水平擴(kuò)展能力。
第三代系統(tǒng)我個(gè)人認(rèn)為是以 Google Spanner 和 AWS Aurora 為代表的新一代云數(shù)據(jù)庫(kù),他們的特點(diǎn)是融合了 SQL 和 NoSQL 的擴(kuò)展能力,對(duì)業(yè)務(wù)層暴露了 SQL 的接口,在使用上可以做到水平的擴(kuò)展。
第四代系統(tǒng)是以現(xiàn)在 TiDB 的設(shè)計(jì)為例,開始進(jìn)入到混合業(yè)務(wù)負(fù)載的時(shí)代,一套系統(tǒng)擁有既能做交易也能處理高并發(fā)事務(wù)的特性,同時(shí)又能結(jié)合一些數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)或者分析型數(shù)據(jù)庫(kù)的能力,所以叫 HTAP,就是融合型的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品。
未來是什么樣子,后面的分享我會(huì)介紹關(guān)于未來的一些展望。從整個(gè)時(shí)間線看,從 1970 年代發(fā)展到現(xiàn)在,database 也算是個(gè)古老的行業(yè)了,具體每個(gè)階段的發(fā)展情況,我就不過多展開。
對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)中間件來說,第一代系統(tǒng)是中間件的系統(tǒng),基本上整個(gè)主流模式有兩種,一種是在業(yè)務(wù)層做手動(dòng)的分庫(kù)分表,比如數(shù)據(jù)庫(kù)的使用者在業(yè)務(wù)層里告訴你;北京的數(shù)據(jù)放在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里,而上海的數(shù)據(jù)放在另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)或者寫到不同的表上,這種就是業(yè)務(wù)層手動(dòng)的最簡(jiǎn)單的分庫(kù)分表,相信大家操作過數(shù)據(jù)庫(kù)的朋友都很熟悉。
第二種通過一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中間件指定 Sharding 的規(guī)則。比如像用戶的城市、用戶的 ID、時(shí)間來做為分片的規(guī)則,通過中間件來自動(dòng)的分配,就不用業(yè)務(wù)層去做。
這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單。如果業(yè)務(wù)在特別簡(jiǎn)單的情況下,比如說寫入或者讀取基本能退化成在一個(gè)分片上完成,在應(yīng)用層做充分適配以后,延遲還是比較低的,而整體上,如果 workload 是隨機(jī)的,業(yè)務(wù)的 TPS 也能做到線性擴(kuò)展。
但是缺點(diǎn)也比較明顯。對(duì)于一些比較復(fù)雜的業(yè)務(wù),特別是一些跨分片的操作,比如說查詢或者寫入要保持跨分片之間的數(shù)據(jù)強(qiáng)一致性的時(shí)候就比較麻煩。另外一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)是它對(duì)于大型集群的運(yùn)維是比較困難的,特別是去做一些類似的表結(jié)構(gòu)變更之類的操作。想象一下如果有一百個(gè)分片,要去加一列或者刪一列,相當(dāng)于要在一百臺(tái)機(jī)器上都執(zhí)行操作,其實(shí)很麻煩。
在 2010 年前后,好多互聯(lián)網(wǎng)公司都發(fā)現(xiàn)了這個(gè)大的痛點(diǎn),仔細(xì)思考了業(yè)務(wù)后,他們發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)很簡(jiǎn)單,也不需要 SQL 特別復(fù)雜的功能,于是就發(fā)展出了一個(gè)流派就是 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。NoSQL 的特點(diǎn)就是放棄到了高級(jí)的 SQL 能力,但是有得必有失,或者說放棄掉了東西總能換來一些東西,NoSQL 換來的是一個(gè)對(duì)業(yè)務(wù)透明的、強(qiáng)的水平擴(kuò)展能力,但反過來就意味著你的業(yè)務(wù)原來是基于 SQL 去寫的話,可能會(huì)帶來比較大的改造成本,代表的系統(tǒng)有剛才我說到的 MongoDB、Cassandra、HBase 等。
最有名的系統(tǒng)就是 MongoDB,MongoDB 雖然也是分布式,但仍然還是像分庫(kù)分表的方案一樣,要選擇分片的 key,他的優(yōu)點(diǎn)大家都比較熟悉,就是沒有表結(jié)構(gòu)信息,想寫什么就寫什么,對(duì)于文檔型的數(shù)據(jù)比較友好,但缺點(diǎn)也比較明顯,既然選擇了 Sharding Key,可能是按照一個(gè)固定的規(guī)則在做分片,所以當(dāng)有一些跨分片的聚合需求的時(shí)候會(huì)比較麻煩,第二是在跨分片的 ACID 事務(wù)上沒有很好的支持。
HBase 是 Hadoop 生態(tài)下的比較有名的分布式 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù),它是構(gòu)建在 HDFS 之上的一個(gè) NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。Cassandra 是一個(gè)分布式的 KV 數(shù)據(jù)庫(kù),其特點(diǎn)是在 KV 操作上提供多種一致性模型,缺點(diǎn)與很多 NoSQL 的問題一樣,包括運(yùn)維的復(fù)雜性, KV 的接口對(duì)于原有業(yè)務(wù)改造的要求等。
剛才說過 Sharding 或者分庫(kù)分表,NoSQL 也好,都面臨著一個(gè)業(yè)務(wù)的侵入性問題,如果你的業(yè)務(wù)是重度依賴 SQL,那么用這兩種方案都是很不舒適的。于是一些技術(shù)比較前沿的公司就在思考,能不能結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn),比如 SQL 表達(dá)力,事務(wù)一致性等特性,但是又跟 NoSQL 時(shí)代好的特性,比如擴(kuò)展性能夠相結(jié)合發(fā)展出一種新的、可擴(kuò)展的,但是用起來又像單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)一樣方便的系統(tǒng)。在這個(gè)思路下就誕生出了兩個(gè)流派,一個(gè)是 Spanner,一個(gè)是 Aurora,兩個(gè)都是頂級(jí)的互聯(lián)網(wǎng)公司在面臨到這種問題時(shí)做出的一個(gè)選擇。
Shared Nothing 這個(gè)流派是以 Google Spanner 為代表,好處是在于可以做到幾乎無(wú)限的水平擴(kuò)展,整個(gè)系統(tǒng)沒有端點(diǎn),不管是 1 個(gè) T、10 個(gè) T 或者 100 個(gè) T,業(yè)務(wù)層基本上不用擔(dān)心擴(kuò)展能力。第二個(gè)好處是他的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供強(qiáng) SQL 的支持,不需要指定分片規(guī)則、分片策略,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的幫你做擴(kuò)展。第三是支持像單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)一樣的強(qiáng)一致的事務(wù),可以用來支持金融級(jí)別的業(yè)務(wù)。
代表產(chǎn)品就是 Spanner 與 TiDB,這類系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn),從本質(zhì)上來說一個(gè)純分布式數(shù)據(jù)庫(kù),很多行為沒有辦法跟單機(jī)行為一模一樣。舉個(gè)例子,比如說延遲,單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)在做交易事務(wù)的時(shí)候,可能在單機(jī)上就完成了,但是在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)上,如果要去實(shí)現(xiàn)同樣的一個(gè)語(yǔ)義,這個(gè)事務(wù)需要操作的行可能分布在不同的機(jī)器上,需要涉及到多次網(wǎng)絡(luò)的通信和交互,響應(yīng)速度和性能肯定不如在單機(jī)上一次操作完成,所以在一些兼容性和行為上與單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)還是有一些區(qū)別的。即使是這樣,對(duì)于很多業(yè)務(wù)來說,與分庫(kù)分表相比,分布式數(shù)據(jù)庫(kù)還是具備很多優(yōu)勢(shì),比如在易用性方面還是比分庫(kù)分表的侵入性小很多。
第二種流派就是 Shared Everything 流派,代表有 AWS Aurora、阿里云的 PolarDB,很多數(shù)據(jù)庫(kù)都定義自己是 Cloud-Native Database,但我覺得這里的 Cloud-Native 更多是在于通常這些方案都是由公有云服務(wù)商來提供的,至于本身的技術(shù)是不是云原生,并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從純技術(shù)的角度來去說一個(gè)核心的要點(diǎn),這類系統(tǒng)的計(jì)算與存儲(chǔ)是徹底分離的,計(jì)算節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)跑在不同機(jī)器上,存儲(chǔ)相當(dāng)于把一個(gè) MySQL 跑在云盤上的感覺,我個(gè)人認(rèn)為類似 Aurora 或者 PolarDB 的這種架構(gòu)并不是一個(gè)純粹的分布式架構(gòu)。
原來 MySQL 的主從復(fù)制都走 Binlog,Aurora 作為一種在云上 Share Everything Database 的代表,Aurora 的設(shè)計(jì)思路是把整個(gè) IO 的 flow 只通過 redo log 的形式來做復(fù)制,而不是通過整個(gè) IO 鏈路打到最后 Binlog,再發(fā)到另外一臺(tái)機(jī)器上,然后再 apply 這個(gè) Binlog,所以 Aurora 的 IO 鏈路減少很多,這是一個(gè)很大的創(chuàng)新。
日志復(fù)制的單位變小,意味著我發(fā)過去的只有 Physical log,不是 Binlog,也不是直接發(fā)語(yǔ)句過去,直接發(fā)物理的日志能代表著更小的 IO 的路徑以及更小的網(wǎng)絡(luò)包,所以整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的吞吐效率會(huì)比傳統(tǒng)的 MySQL 的部署方案好很多。
Aurora 的優(yōu)勢(shì)是 100% 兼容 MySQL,業(yè)務(wù)兼容性好,業(yè)務(wù)基本上不用改就可以用,而且對(duì)于一些互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景,對(duì)一致性要求不高的話,數(shù)據(jù)庫(kù)的讀也可以做到水平擴(kuò)展,不管是 Aurora 也好,PolarDB 也好,讀性能是有上限的。
Aurora 的短板大家也能看得出來,本質(zhì)上這還是一個(gè)單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),因?yàn)樗袛?shù)據(jù)量都是存儲(chǔ)在一起的,Aurora 的計(jì)算層其實(shí)就是一個(gè) MySQL 實(shí)例,不關(guān)心底下這些數(shù)據(jù)的分布,如果有大的寫入量或者有大的跨分片查詢的需求,如果要支持大數(shù)據(jù)量,還是需要分庫(kù)分表,所以 Aurora 是一款更好的云上單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)。
第四代系統(tǒng)就是新形態(tài)的 HTAP 數(shù)據(jù)庫(kù),英文名稱是 Hybrid Transactional and Analytical Processing,通過名字也很好理解,既可以做事務(wù),又可以在同一套系統(tǒng)里面做實(shí)時(shí)分析。HTAP 數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)是可以像 NoSQL 一樣具備無(wú)限水平擴(kuò)展能力,像 NewSQL 一樣能夠去做 SQL 的查詢與事務(wù)的支持,更重要的是在混合業(yè)務(wù)等復(fù)雜的場(chǎng)景下,OLAP 不會(huì)影響到 OLTP 業(yè)務(wù),同時(shí)省去了在同一個(gè)系統(tǒng)里面把數(shù)據(jù)搬來搬去的煩惱。目前,我看到在工業(yè)界基本只有 TiDB 4.0 加上 TiFlash 這個(gè)架構(gòu)能夠符合上述要求。
為什么 TiDB 能夠?qū)崿F(xiàn) OLAP 和 OLTP 的徹底隔離,互不影響?因?yàn)?TiDB 是計(jì)算和存儲(chǔ)分離的架構(gòu),底層的存儲(chǔ)是多副本機(jī)制,可以把其中一些副本轉(zhuǎn)換成列式存儲(chǔ)的副本。OLAP 的請(qǐng)求可以直接打到列式的副本上,也就是 TiFlash 的副本來提供高性能列式的分析服務(wù),做到了同一份數(shù)據(jù)既可以做實(shí)時(shí)的交易又做實(shí)時(shí)的分析,這是 TiDB 在架構(gòu)層面的巨大創(chuàng)新和突破。
下圖是 TiDB 的測(cè)試結(jié)果,與 MemSQL 進(jìn)行了對(duì)比,根據(jù)用戶場(chǎng)景構(gòu)造了一種 workload,橫軸是并發(fā)數(shù),縱軸是 OLTP 的性能,藍(lán)色、黃色、綠色這些是 OLAP 的并發(fā)數(shù)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是在一套系統(tǒng)上既跑 OLTP 又跑 OLAP,同時(shí)不斷提升 OLTP 和 OLAP 的并發(fā)壓力,從而查看這兩種 workload 是否會(huì)互相影響??梢钥吹皆?TiDB 這邊,同時(shí)加大 OLTP 和 OLAP 的并發(fā)壓力,這兩種 workload 的性能表現(xiàn)沒有什么明顯變化,幾乎是差不多的。但是,同樣的實(shí)驗(yàn)發(fā)生在 MemSQL 上,大家可以看到 MemSQL 的性能大幅衰減,隨著 OLAP 的并發(fā)數(shù)變大,OLTP 的性能下降比較明顯。
接下來是 TiDB 在一個(gè)用戶實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的例子,在進(jìn)行 OLAP 業(yè)務(wù)的查詢的時(shí)候,OLTP 業(yè)務(wù)仍然可以實(shí)現(xiàn)平滑的寫入操作,延遲一直維持在較低的水平。
Snowflake 是一個(gè) 100% 構(gòu)建在云上的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng),底層的存儲(chǔ)依賴 S3,基本上每個(gè)公有云都會(huì)提供類似 S3 這樣的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù),Snowflake 也是一個(gè)純粹的計(jì)算與存儲(chǔ)分離的架構(gòu),在系統(tǒng)里面定義的計(jì)算節(jié)點(diǎn)叫 Virtual Warehouse,可以認(rèn)為就是一個(gè)個(gè) EC2 單元,本地的緩存有日志盤,Snowflake 的主要數(shù)據(jù)存在 S3 上,本地的計(jì)算節(jié)點(diǎn)是在公有云的虛機(jī)上。
這是 Snowflake 在 S3 里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn),每一個(gè) S3 的對(duì)象是 10 兆一個(gè)文件,只追加,每一個(gè)文件里面包含源信息,通過列式的存儲(chǔ)落到磁盤上。
Snowflake 這個(gè)系統(tǒng)最重要的一個(gè)閃光點(diǎn)就是對(duì)于同一份數(shù)據(jù)可以分配不同的計(jì)算資源進(jìn)行計(jì)算,比如某個(gè) query 可能只需要兩臺(tái)機(jī)器,另外一個(gè) query 需要更多的計(jì)算資源,但是沒關(guān)系,實(shí)際上這些數(shù)據(jù)都在 S3 上面,簡(jiǎn)單來說兩臺(tái)機(jī)器可以掛載同一塊磁盤分別去處理不同的工作負(fù)載,這就是一個(gè)計(jì)算與存儲(chǔ)解耦的重要例子。
第二個(gè)系統(tǒng)是 BigQuery,BigQuery 是 Google Cloud 上提供的大數(shù)據(jù)分析服務(wù),架構(gòu)設(shè)計(jì)上跟 Snowflake 有點(diǎn)類似。BigQuery 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在谷歌內(nèi)部的分布式文件系統(tǒng) Colossus 上面,Jupiter 是內(nèi)部的一個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò),上面這個(gè)是谷歌的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。
BigQuery 的處理性能比較出色,每秒在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的一個(gè)雙向的帶寬可以達(dá)到 1 PB,如果使用 2000 個(gè)專屬的計(jì)算節(jié)點(diǎn)單元,大概一個(gè)月的費(fèi)用是四萬(wàn)美金。BigQuery 是一個(gè)按需付費(fèi)的模式,一個(gè) query 可能就用兩個(gè) slot,就收取這兩個(gè) slot 的費(fèi)用,BigQuery 的存儲(chǔ)成本相對(duì)較低,1 TB 的存儲(chǔ)大概 20 美金一個(gè)月。
第三個(gè)系統(tǒng)是 RockSet,大家知道 RocksDB 是一個(gè)比較有名的單機(jī) KV 數(shù)據(jù)庫(kù),其存儲(chǔ)引擎的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫 LSM-Tree,LSM-Tree 的核心思想進(jìn)行分層設(shè)計(jì),更冷的數(shù)據(jù)會(huì)在越下層。RockSet 把后面的層放在了 S3 的存儲(chǔ)上面,上面的層其實(shí)是用 local disk 或者本地的內(nèi)存來做引擎,天然是一個(gè)分層的結(jié)構(gòu),你的應(yīng)用感知不到下面是一個(gè)云盤還是本地磁盤,通過很好的本地緩存讓你感知不到下面云存儲(chǔ)的存在。
所以剛才看了這三個(gè)系統(tǒng),我覺得有幾個(gè)特點(diǎn),一個(gè)是首先都是天然分布式的,第二個(gè)是構(gòu)建在云的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)上面的,尤其是 S3 和 EBS,第三是 pay as you go,在架構(gòu)里面充分利用了云的彈性能力。我覺得這三點(diǎn)最重要的一點(diǎn)是存儲(chǔ),存儲(chǔ)系統(tǒng)決定了云上數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)方向。
在存儲(chǔ)里邊我覺得更關(guān)鍵的可能是 S3。EBS 其實(shí)我們也有研究過,TiDB 第一階段其實(shí)已經(jīng)正在跟 EBS 塊存儲(chǔ)做融合,但從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看,我覺得更有意思的方向是在 S3 這邊。
首先第一點(diǎn) S3 非常劃算,價(jià)格遠(yuǎn)低于 EBS,第二 S3 提供了 9 個(gè) 9 很高的可靠性,第三是具備線性擴(kuò)展的吞吐能力,第四是天然跨云,每一個(gè)云上都有 S3 API 的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)。但是 S3 的問題就是隨機(jī)寫入的延遲非常高,但是吞吐性能不錯(cuò),所以我們要去利用這個(gè)吞吐性能不錯(cuò)的這個(gè)特點(diǎn),規(guī)避延遲高的風(fēng)險(xiǎn)。這是 S3 benchmark 的一個(gè)測(cè)試,可以看到隨著機(jī)型的提升,吞吐能力也是持續(xù)的提升。
如果要解決 S3 的 Latency 問題,這里提供一些思路,比如像 RockSet 那樣用 SSD 或者本地磁盤來做 cache,或者通過 kinesis 寫入日志,來降低整個(gè)寫入的延遲。還有數(shù)據(jù)的復(fù)制或者你要去做一些并發(fā)處理等,其實(shí)可以去做 Zero-copy data cloning,也是降低延遲的一些方式。
上述例子有一些共同點(diǎn)都是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),不知道大家有沒有發(fā)現(xiàn),為什么都是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)?數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)對(duì)于吞吐的要求其實(shí)是更高的,對(duì)于延遲并不是那么在意,一個(gè) query 可能跑五秒出結(jié)果就行了,不用要求五毫秒之內(nèi)給出結(jié)果,特別是對(duì)于一些 Point Lookup 這種場(chǎng)景來說,Shared Nothing 的 database 可能只需要從客戶端的一次 rpc,但是對(duì)于計(jì)算與存儲(chǔ)分離的架構(gòu),中間無(wú)論如何要走兩次網(wǎng)絡(luò),這是一個(gè)核心的問題。
你可能會(huì)說沒有關(guān)系,反正計(jì)算和存儲(chǔ)已經(jīng)分離了,大力出奇跡,可以加計(jì)算節(jié)點(diǎn)。但是我覺得新思路沒必要這么極端,Aurora 是一個(gè)計(jì)算存儲(chǔ)分離架構(gòu),但它是一個(gè)單機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),Spanner 是一個(gè)純分布式的數(shù)據(jù)庫(kù),純 Shared Nothing 的架構(gòu)并沒有利用到云基礎(chǔ)設(shè)施提供的一些優(yōu)勢(shì)。
比如說未來我們的數(shù)據(jù)庫(kù)可以做這樣的設(shè)計(jì),在計(jì)算層其實(shí)帶著一點(diǎn)點(diǎn)狀態(tài),因?yàn)槊颗_(tái) EC2 都會(huì)帶一個(gè)本地磁盤,現(xiàn)在主流的 EC2 都是 SSD,比較熱的數(shù)據(jù)可以在這一層做 Shared Nothing,在這一層去做高可用,在這一層去做隨機(jī)的讀取與寫入。熱數(shù)據(jù)一旦 cache miss,才會(huì)落到 S3 上面,可以在 S3 只做后面幾層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),這種做法可能會(huì)帶來問題,一旦穿透了本地 cache,Latency 會(huì)有一些抖動(dòng)。
這種架構(gòu)設(shè)計(jì)的好處:首先,擁有對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)計(jì)算親和力,在 local disk 上會(huì)有很多數(shù)據(jù),在這點(diǎn)上很多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的一些性能優(yōu)化技巧可以用起來;第二,數(shù)據(jù)遷移其實(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單,實(shí)際上底下的存儲(chǔ)是共享的,都在 S3 上面,比如說 A 機(jī)器到 B 機(jī)器的數(shù)據(jù)遷移其實(shí)不用真的做遷移,只要在 B 機(jī)器上讀取數(shù)據(jù)就行了。
這個(gè)架構(gòu)的缺點(diǎn)是:第一,緩存穿透了以后,Latency 會(huì)變高;第二,計(jì)算節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在有了狀態(tài),如果計(jì)算節(jié)點(diǎn)掛掉了以后,F(xiàn)ailover 要去處理日志回放的問題,這可能會(huì)增加一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
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