1.何謂「云原生數(shù)據(jù)庫」

云計(jì)算的出現(xiàn)，加速了企業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展。云計(jì)算供應(yīng)商將海量的計(jì)算、存儲、通信資源放入「池子」中，企業(yè)或個人用戶按需購買計(jì)算資源，快速、低成本搭建信息系統(tǒng)。在系統(tǒng)的 workload 發(fā)送變化時，還可以按需擴(kuò)縮計(jì)算機(jī)資源。對于與計(jì)算供應(yīng)商來說，所有用戶使用的海量的資源統(tǒng)一管理，規(guī)模效應(yīng)顯著，邊際成本低。對于云計(jì)算用戶來說，資源獲取快捷、方便，按需使用比自建機(jī)房、搭建和運(yùn)維基礎(chǔ)系設(shè)施成本更低。站在全社會的角度來看，整體資源的利用率更加高，environmentally-friendly。

數(shù)據(jù)庫是最常用的基礎(chǔ)軟件之一，它通常能提供 計(jì)算 和 存儲 的能力。存儲當(dāng)然是數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)能力。計(jì)算能力對外體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)庫可以完成用戶發(fā)出的復(fù)雜分析與計(jì)算請求（用 SQL 可以寫出強(qiáng)大的計(jì)算邏輯），對內(nèi)體現(xiàn)在：查詢優(yōu)化、事務(wù)處理、索引維護(hù)等內(nèi)部計(jì)算。

單機(jī)數(shù)據(jù)庫部署在普通主機(jī)上，其存儲和計(jì)算能力受限于主機(jī)的硬件，難以擴(kuò)展。分布式數(shù)據(jù)庫可以通過適當(dāng)增加機(jī)器，來拓展數(shù)據(jù)庫的容量和計(jì)算能力，但是集群節(jié)點(diǎn)的能力依舊受到機(jī)器資源的限制。如果將它們簡單的搬遷到云上，不做任何改造，普通主機(jī)換成云主機(jī)。

第一，數(shù)據(jù)庫直接部署在云上，可能會有大量新的問題出現(xiàn)，例如網(wǎng)絡(luò)瓶頸、可能會帶來嚴(yán)重的寫放大問題等；再比如：即使給單機(jī)數(shù)據(jù)庫掛一個無限大的存儲，當(dāng)數(shù)據(jù)量極大時性能會很差。第二，無法完全發(fā)揮云計(jì)算最大的優(yōu)勢「資源彈性管理、按需使用」，也無法靈活運(yùn)用琳瑯滿目的云存儲產(chǎn)品。第三，信息化、數(shù)字化的高速發(fā)展，對數(shù)據(jù)庫提出了更多要求：更高的性能、更低的成本、更好的靈活性，這些也是僅僅將單機(jī)數(shù)據(jù)庫搬上云解決不了的。

雖然分布式數(shù)據(jù)庫也做到了很好的擴(kuò)展性，但它不能算是「云原生」。第一，概念上，它彈性擴(kuò)展的單位是「機(jī)器」，而非更加細(xì)粒度的「計(jì)算和存儲資源」。第二，它在設(shè)計(jì)的時候，并不會考慮云平臺的特征，沒有相應(yīng)的優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)性能和成本。第三，引入分布式事務(wù)、分布式集群管理等模塊，也讓系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。（這里沒有拉踩的意味，分布式數(shù)據(jù)庫這條路也有巨大的優(yōu)勢，例如數(shù)據(jù)量極大、需要寫擴(kuò)展性、需要全球部署等場景）

「云原生數(shù)據(jù)庫」的核心，是要設(shè)計(jì) 一種更加符合「資源彈性管理」這一理念、充分利用云平臺池化資源、適配云平臺已有的基礎(chǔ)設(shè)置的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)。

由于云計(jì)算平臺的存儲和計(jì)算資源是可以分開擴(kuò)展的，所以云原生數(shù)據(jù)庫必定是存儲計(jì)算分離架構(gòu)。

2. Aurora

2.1 關(guān)鍵問題

Aurora 是 AWS 推出的 OLTP 云數(shù)據(jù)庫先驅(qū)，在 MySQL 代碼基礎(chǔ)上改造出存儲計(jì)算分離架構(gòu)。AWS 認(rèn)為在云上構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，存儲資源很容易擴(kuò)展，那么系統(tǒng)的瓶頸就落在網(wǎng)絡(luò)上了，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫實(shí)例與所有存儲節(jié)點(diǎn)的交互都需要通過網(wǎng)絡(luò)。因此 Aurora 最核心的理念就是要減少數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸量。

Aurora 論文里舉了這樣一個 MySQL 直接搬遷到云上的例子：

單機(jī) MySQL 事務(wù)提交需要日志落盤，同時后臺線程會異步刷臟頁，為了避免頁斷裂，刷臟頁時還需要將數(shù)據(jù)頁寫入 double write 區(qū)域。如下圖所示，如果再考慮到生產(chǎn)環(huán)境中需要主備復(fù)制，AZ1 和 AZ2 各部署一個MySQL 實(shí)例同步鏡像復(fù)制(這里應(yīng)該是 DRBD 的方案？)，底層存儲采用 Elastic Block Store(EBS)，每個EBS還有自己的一份鏡像，另外部署Simple Storage Service(S3) 歸檔 redo 日志和 binlog 日志，以支持基于時間點(diǎn)的恢復(fù)。

以上寫入同步，每個步驟都需要傳遞5種類型的數(shù)據(jù)：redo log，binlog，data page，double write 和 frm 元數(shù)據(jù)。由于是基于鏡像的同步復(fù)制，因此圖中的1，3，5步驟是順序的，這種模型響應(yīng)時間非常糟糕，要進(jìn)行4次網(wǎng)絡(luò)IO，且其中3次是同步串行的。從存儲角度看，數(shù)據(jù)在 EBS 上存 4 份，需要 4 份都寫成功才能返回。 所以在這種架構(gòu)下，無論是 IO 量還是串行化模型都會導(dǎo)致性能非常糟糕。

Aurora 為了減少 IO 的數(shù)量，所有節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，只有 redo。為了做到這一點(diǎn)，需要將部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的能力下推到存儲節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然除了減少 IO，Aurora 的設(shè)計(jì)還帶來了不少其他好處。

2.2 核心技術(shù)

2.2.1 存儲計(jì)算分離架構(gòu)

Aurora 下推到存儲的主要功能主要和 redo 相關(guān)，包括：日志回放、故障恢復(fù)和備份還原。技術(shù)層保留了查詢處理、事務(wù)處理、緩存管理、鎖管理、訪問控制等大部分功能。

Aurora 的整體由跨 AZ 的一個主實(shí)例、多個副本（最多15個）實(shí)例及多個存儲節(jié)點(diǎn)組成。主實(shí)例與只讀實(shí)例/存儲節(jié)點(diǎn)之間只傳遞 redo log 和元信息。主實(shí)例與副本實(shí)例共享一套分布式存儲，因此增加副本實(shí)例是零存儲成本的，這大大提高了 Aurora 的讀擴(kuò)展性。

主實(shí)例會異步向副本實(shí)例發(fā)送 redo log，副本實(shí)例收到后開始回放。如果日志對應(yīng)的 page 不在 本地的 page cache，該 redo log 可以直接丟棄，因?yàn)榇鎯?jié)點(diǎn)擁有所有的 page 及 redo log，有需要時直接從存儲節(jié)點(diǎn)請求即可。

存儲節(jié)點(diǎn)收到 redo log 后會持久化，而回放日志和回收舊版本數(shù)據(jù)頁的工作，可以一直異步在后臺執(zhí)行。存儲節(jié)點(diǎn)可以較為靈活的分配資源做前臺/后臺的工作。同時相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，Aurora 不用后臺去推進(jìn) checkpoint（這個動作往往會影響前臺請求），分離的存儲層不斷地推進(jìn) checkpoint，對數(shù)據(jù)庫實(shí)例絲毫沒有影響，而且推進(jìn)的越快，對讀請求越有利。

存儲層不斷推進(jìn) checkpoint 也能加快故障恢復(fù)的速度，一般情況下，在 10w TPS 壓力下，Aurora 可以在 10s 恢復(fù)完成。在故障恢復(fù)過程中，

詳細(xì)來說，Aurora 寫流程如下：

(1) 存儲節(jié)點(diǎn)接收主實(shí)例的日志，追加到其內(nèi)存隊(duì)列。

(2) 存儲節(jié)點(diǎn)持久化日志后應(yīng)答主實(shí)例。

(3) 按分片歸類日志，確認(rèn)是否有日志丟失。

(4) 與其它存儲節(jié)點(diǎn)交互，填充丟失日志。

(5) 回放日志，生成數(shù)據(jù)頁。

(6) 定期備份數(shù)據(jù)和日志到 S3。

(7) 定期回收過期數(shù)據(jù)頁版本。

(8) 定期 CRC 校驗(yàn)數(shù)據(jù)頁。

上述所有操作，只有第 (1) (3)是串行同步的，會直接影響請求響應(yīng)時間，其它均為異步操作。

為了保證可用性，Aurora 持久化采用 Quorum 協(xié)議。假設(shè)復(fù)制集合包含 V 個節(jié)點(diǎn)，讀請求需要得到 Vr 個節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，寫請求需要得到 Vw 個節(jié)點(diǎn)詳細(xì)，為了保證讀寫一致性，Quorum 協(xié)議主要有兩個條件（1）Vr + Vw > V ；（2）Vw > V/2。

主實(shí)例的每次寫入會發(fā)送到位于 3 個 AZ 的 6 個存儲節(jié)點(diǎn)，收到 4 個持久化成功的回復(fù)便認(rèn)為寫入成功。因此 Aurora 的 Quorum 協(xié)議中，V = 6，Vw = 4，Vr = 3。當(dāng)然在實(shí)際讀請求中，不用真的去 3 個存儲節(jié)點(diǎn)查詢，只需要查詢擁有最新數(shù)據(jù)的那個存儲節(jié)點(diǎn)就行 。

Quorum 協(xié)議可以保證，只要 AZ 級別故障和節(jié)點(diǎn)故障不同時發(fā)生，數(shù)據(jù)庫的可用性就能得到保證。同時 Aurora 采用分片管理的策略，每個分片 10G，6 個 10G 的副本組成一個 Protected Group，每個分片是一個故障恢復(fù)的單位，在 10G/s 網(wǎng)絡(luò)下，一個分片可以在 10s 內(nèi)恢復(fù)。因此只有當(dāng) 10s 內(nèi)同時發(fā)生超過2個分片的故障，可用性才會受到影響，這幾乎是不可能發(fā)生的。

sysbench write only 測試，Aurora是基于鏡像MySQL吞吐能力的35倍，每個事務(wù)的日志量比基于鏡像MySQL日志量要少7.7倍。

總體來講，Aurora 存儲計(jì)算分離的架構(gòu)帶來了如下好處：（1）在云上部署，所有節(jié)點(diǎn)之間只傳輸 redo，網(wǎng)絡(luò)壓力小。（2）前后臺線程互不干擾，后臺任務(wù)可以不停歇的異步執(zhí)行。（3）存儲節(jié)點(diǎn)跨 AZ 高可用。（4）讀副本、存儲節(jié)點(diǎn)可線性擴(kuò)展（有上限）。（5）故障恢復(fù)時間快。

2.2.2 一致性保證

從 MySQL 到 Aurora，單機(jī)系統(tǒng)進(jìn)化為分布式系統(tǒng)，那么存儲節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫實(shí)例之間就需要保證數(shù)據(jù)一致性（consistency）。 Aurora 強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)保證分布式一致性的方法 2PC 協(xié)議復(fù)雜且容錯性非常差，Aurora 依賴Quorum + Gossip 協(xié)議及基于 LSN 的算法來保證一致性。

我其實(shí)不太理解 Aurora 為啥要在論文中 cue 一下 2PC，雖然 2PC 能解決它的一致性問題，但是一般人肯定不會在這種場景下使用 2PC。一來，事務(wù)提交管理這種會改變數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的操作主實(shí)例控制，也就意味著整個系統(tǒng)的一致性完全由主實(shí)例單機(jī)決定，存儲節(jié)點(diǎn)只需要告知主實(shí)例其持久化結(jié)果，這一點(diǎn)和和單機(jī)數(shù)據(jù)庫沒有區(qū)別，看不出來哪里需要分布式的兩階段提交協(xié)議。二來，相較于分布式事務(wù)提交，Aurora 存儲節(jié)點(diǎn)只有 redo 持久化這一個簡單需求，沒有其他資源的要求（例如：鎖、事務(wù)上下文創(chuàng)建等），也沒有提交結(jié)束釋放資源的需求，完全沒必要上 2PC。

說白了，要不要用 2PC 就是看數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)變化由誰控制，存儲節(jié)點(diǎn)雖然持久化了，但是數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的變化，完全由事務(wù)管理器來控制。需要兩階段提交的情況是，事務(wù)處理器分布在不同節(jié)點(diǎn)（這樣大大提高可了寫擴(kuò)展性），大家就事務(wù)應(yīng)該提交還是回滾做出協(xié)商。

比較有意思的對比倒是在大部分系統(tǒng)都傾向于使用 Paxos/Raft 這樣的共識算法，在底層實(shí)現(xiàn)一個強(qiáng)一致的存儲系統(tǒng)來保證高可用時（例如 PolarDB, Spanner, OB...），Aurora 只是使用簡單的 Quorum ，計(jì)算層和存儲層結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)高可用強(qiáng)一致。

以上是個人思考，其實(shí)在 Aurora 這種事務(wù)邏輯和單機(jī)數(shù)據(jù)庫幾乎沒有區(qū)別的數(shù)據(jù)庫，正常情況下，一致性保證沒什么區(qū)別。主要的區(qū)別在于，數(shù)據(jù)庫實(shí)例宕機(jī)重啟時，需要這些宕機(jī)前未執(zhí)行完的事務(wù)，決定哪些數(shù)據(jù)頁中未完成的事務(wù)，應(yīng)該提交還是回滾。因?yàn)閱螜C(jī)數(shù)據(jù)庫恢復(fù)依據(jù)的是單份日志，而 Aurora 需要從多個存儲節(jié)點(diǎn)獲得的多份日志，Aurora 需要決定哪些日志需要回放，哪些需要截?cái)唷?/p>

Aurora 事務(wù)都是由主實(shí)例發(fā)起的，因此主實(shí)例可以按時間順序?yàn)槊恳粋€ redo 日志分配一個 Log Sequence Number（LSN）。為了保證一致性，Aurora 定義了如下幾個關(guān)鍵日志點(diǎn)位。

Volume Complete LSN（VCL），表示存儲層擁有 VCL 前的所有完整日志。故障恢復(fù)時，需要銷毀所有 LSN 大于 VCL 的日志。

Consistency Point LSNs（CPLs），MySQL(InnoDB) 的事務(wù)由內(nèi)部多個 Mini-Transaction 組成，每個 Mini-Transaction 是原子操作的最小單位。例如 B+-Tree 分裂需要修改多個 page，它們必須是原子的，必須由一組原子的 redo 日志來表示。CPL 是 Mini-Transaction 的最后一個日志的 LSN，日志回放時，需要以 CPL 為單位。一個事務(wù)通常由多個 CPL 組成。

Volume Durable LSN（VDL），所有 CPLs 中已經(jīng)持久化的最大 LSN，它代表了數(shù)據(jù)庫處于一致狀態(tài)的最新位點(diǎn)，VDL 一定小于等于 VCL。為了保證 Mini-Transaction 的原子性，所有大于 VDL 的日志也需要被銷毀。在故障恢復(fù)階段，數(shù)據(jù)庫實(shí)例通過 Quorum 讀可以計(jì)算得到最新的 VDL。

舉個例子，VCL=1007，CPLs={900，1000，1100}，那么 1000 以后的日志都應(yīng)該被截?cái)唷?/p>

3.PolarDB

PolarDB 是阿里云推出的云原生數(shù)據(jù)庫，雖然都是計(jì)算存儲分離架構(gòu)，但是與 Aurora 在設(shè)計(jì)理念上有非常大的區(qū)別。

3.1 關(guān)鍵問題

PolarDB 在許多公開的分享和文章中，強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)上云，存在很多問題，這里列舉一些典型的：

擴(kuò)展性相關(guān)：

1. 由于物理機(jī)磁盤限制以及備份等策略，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)大小不能太大，太大的實(shí)例是運(yùn)維的災(zāi)難。
2. 活動上線時造成壓力突增，而數(shù)據(jù)庫卻來不及升級。
3. 業(yè)務(wù)發(fā)展很快，來不及進(jìn)行拆庫，也來不及分庫分表。

性能相關(guān)：

1. 傳統(tǒng)備份技術(shù)，由于涉及到拷貝數(shù)據(jù)，并上傳廉價存儲，速度因此也受網(wǎng)絡(luò)影響。一次全量數(shù)據(jù)備份需要大量時間，并且必須鎖表等。
2. 讀寫實(shí)例和只讀實(shí)例各自擁有一份獨(dú)立的數(shù)據(jù)，新建一個只讀實(shí)例需要重新拷貝數(shù)據(jù)，考慮到網(wǎng)絡(luò)限流，速度不會很快。
3. MySQL數(shù)據(jù)庫早期的版本，對早期的系統(tǒng)/硬件做了很多優(yōu)化，但是并沒有考慮到現(xiàn)代主流的系統(tǒng)/硬件的優(yōu)秀特性，在高并發(fā)環(huán)境下，性能還有很大的提升空間。
4. MySQL為了兼容性，需要寫兩份日志(事務(wù)日志和復(fù)制日志)，與其他商業(yè)數(shù)據(jù)庫相比，性能相對較差。
5. 讀寫實(shí)例和只讀實(shí)例通過增量邏輯數(shù)據(jù)同步，讀寫實(shí)例上所有的SQL需要在只讀實(shí)例上重新執(zhí)行一遍(包括SQL解析，SQL優(yōu)化等無效步驟)，同時，復(fù)制并發(fā)讀最高是基于表維度，導(dǎo)致主備延遲非常普遍，進(jìn)而影響各種切換任務(wù)。
6. 應(yīng)用擴(kuò)容之后，上百臺ECS連接一臺數(shù)據(jù)庫，因此在高并發(fā)下性能很差。

成本相關(guān)：

1. 讀寫實(shí)例和只讀實(shí)例各自擁有一份獨(dú)立的數(shù)據(jù)，用戶購買只讀實(shí)例，不僅需要付出計(jì)算的成本，也需要付出存儲資源的成本。

....

這些問題本質(zhì)上都是單機(jī)數(shù)據(jù)庫所面臨的的問題，數(shù)據(jù)庫上云，當(dāng)然就是要解決這些問題。但是僅僅簡單的將單機(jī)數(shù)據(jù)庫部署在云上，這些問題還是存在的。PolarDB 的研發(fā)就是為了解決這一系列問題。

當(dāng)然，我認(rèn)為 Aurora 也是能夠解決上述大部分問題的，只是 PolarDB 選擇的技術(shù)路線與 Aurora 截然不同。

3.2 核心技術(shù)

3.2.1 存儲計(jì)算分離架構(gòu)

PolarDB 同樣采用存儲計(jì)算分離架構(gòu)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)是一個 MySQL 實(shí)例負(fù)責(zé)存儲 SQL 解析、事務(wù)處理等，存儲節(jié)點(diǎn)是 PolarDB 的核心組件 PolarStore，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)可靠存儲。同一個集群的多個計(jì)算節(jié)點(diǎn)（1個讀寫實(shí)例和多個只讀實(shí)例）共享一份數(shù)據(jù)，正因?yàn)槿绱耍瑪U(kuò)展只讀實(shí)例的速度和成本都非常低。數(shù)據(jù)庫實(shí)例的高可用通過只讀實(shí)例在 failover 時迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樽x寫實(shí)例保證，數(shù)據(jù)的高可用和一致性由 PolarStore 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的 Parallel-Raft（支持亂序提交，性能比 raft 更好） 保證。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)與存儲節(jié)點(diǎn)采用高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并通過RDMA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使網(wǎng)絡(luò)不再成為瓶頸。

PolarDB 的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是一套高性能的分布式文件系統(tǒng) PolarFS，能夠向多個數(shù)據(jù)庫實(shí)例提供高性能、高可靠的數(shù)據(jù)存取服務(wù)（支持同時掛載）。

3.2.2 PolarFS

PolarFS 是一個極低延遲，高可靠，利用了大量新硬件的分布式文件系統(tǒng)，對外的接口是 libpfs，數(shù)據(jù)庫通過這一層與 PolarFS 交互。

PolarFS 存儲層次上可以分為三級：Volume，Chunk，Block。用戶創(chuàng)建 PolarDB 數(shù)據(jù)庫實(shí)例時，系統(tǒng)就會為該實(shí)例創(chuàng)建一個 Volume，其大小范圍可以是 10G~100T。每個 Volume 由多個 Chunk 組成，Chunk 是數(shù)據(jù)移動/高可用/分布式的最小單位，其必落在某塊 SSD 盤上。每個 Chunk 大小為 10GB，遠(yuǎn)大于其他分布式文件系統(tǒng)(GFS為64MB)。這樣做可以減少 Volume 到 Chunk 映射的元數(shù)據(jù)量大小，更有利于管理與緩存。不足之處在于熱點(diǎn)不易打散。每個 Chunk 都有3 個副本，通過 ParallelRaft 協(xié)議保證高可用。Chunk 被進(jìn)一步劃分為 163,840 個 Block，每個塊大小為 64KB。是預(yù)分配空間的最小單位。

PolarFS 的主要組件包括：

libpfs： 用戶空間文件系統(tǒng)（User Space File System）庫，是計(jì)算節(jié)點(diǎn)訪問底層存儲的API接口。

PolarSwitch ：部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)的Daemon，負(fù)責(zé)將 IO 請求轉(zhuǎn)化為對具體 ChunkServer leader 的訪問。

ChunkServer ：用于管理 Chunk，處理 Block IO 請求。一個存儲節(jié)點(diǎn)可以部署多個 ChunkServer，每個ChunkServer 綁定一個CPU核，管理一塊獨(dú)立的 NVMe SSD 盤，ChunkServer 之間沒有資源競爭。Chunk 修改會先 WAL，保證原子性和持久性。ChunkServer使用了 3D XPoint SSD 和普通 NVMe SSD 混合型WAL buffer，Log 會優(yōu)先存放到更快的 3DXPoint SSD 中。

PolarCtrl ：系統(tǒng)的控制平面，是PolarFS集群的控制核心，負(fù)責(zé)監(jiān)控和 Balance ChunkServer、各種元信息維護(hù)、更新 PolarSwitch 元信息緩存等。

PolarFS的寫操作流程大致如下：

1. POLARDB 通過 libpfs 發(fā)送寫請求經(jīng)由 ring buffer 到 PolarSwitch。
2. PolarSwitch 根據(jù)本地緩存元數(shù)據(jù)，將寫請求發(fā)送至對應(yīng) Chunk 的 Chunk Server Leader 節(jié)點(diǎn)。
3. 請求到達(dá) ChunkServer 后，節(jié)點(diǎn)的 RDMA NIC 將 Request 加入 request 隊(duì)列。一個 IO 輪詢線程不斷輪詢該請求隊(duì)列，一旦發(fā)現(xiàn)有新請求則立即開始處理。
4. IO 處理線程異步將請求寫到 Chunk 對應(yīng)的 WAL 塊上（通過 SPDK），同時將請求異步發(fā)向給 Follower 節(jié)點(diǎn)。
5. 寫請求到達(dá) Follower 后，同樣通過 RDMA NIC 將其放到 request 隊(duì)列。
6. Follower 節(jié)點(diǎn)上的 IO 輪詢線程被觸發(fā)，同樣異步寫入。
7. Follower 節(jié)點(diǎn)的寫請求成功，通過 RDMA 向 Leader 發(fā)送應(yīng)答。
8. Leader節(jié)點(diǎn)收到 Followers 里任一節(jié)點(diǎn)成功應(yīng)答后，即形成 majority，同樣通過 SPDK 將寫請求寫到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。
9. Leader 通過 RDMA NIC 向 PolarSwitch 返回請求處理結(jié)果。
10. PolarSwitch 標(biāo)記請求成功并通知 POLARDB 數(shù)據(jù)庫實(shí)例。

PolarFS 讀寫使用 SPDK 直接通過 DMA 操作 SSD，而非 OS 內(nèi)核 IO 協(xié)議棧，通過輪詢的方式監(jiān)聽硬件設(shè)備 IO完成事件。IO 線程和 CPU 核綁定，也不共享任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相互之間沒有競爭。這種 bypass OS IO 協(xié)議棧的方式，大大提升了高速設(shè)備的 IO 處理性能。同時通過 RDMA 網(wǎng)絡(luò)大大提升網(wǎng)絡(luò) IO 性能。基本解決了 HDFS 和Ceph 等分布式文件系統(tǒng)存在的性能差、延遲大的問題。

3.2.3 物理復(fù)制

PolarDB 讀寫實(shí)例和只讀實(shí)例共享一份數(shù)據(jù)，需要保證一致性，例如讀寫實(shí)例新寫的 Page，即使沒有刷臟，只讀實(shí)例也應(yīng)該可以看到。因此實(shí)例之間應(yīng)當(dāng)有一定的同步機(jī)制（為了保證主備之間的一致性，）。

MySQL 有兩種主要日志： Binlog 和 InnoDB 的 Redo log。Binlog 是 tuple 級的數(shù)據(jù)變更日志，方便 MySQL 易構(gòu)存儲引擎之間同步數(shù)據(jù)，也方便下游消費(fèi)。Redo log，記錄的是文件物理頁面的修改，是 InnoDB 為了支持事務(wù)的 ACID 特性。

Binlog 是 tuple 級別的，只讀實(shí)例回放的效率太低，回放過程中只讀實(shí)例可能還得去請求一些自己根本不需要的 Page。Redo log 顯然是更合適做主備之間的數(shù)據(jù)同步。并且，使用 Binlog 復(fù)制目前只能按表級別并行復(fù)制，而物理復(fù)制可以按照數(shù)據(jù)頁級別并發(fā)，粒度更細(xì)，并行效率更加高，主備之間的延遲可以保持在毫秒級別。同時在 Binlog 非必須的情況下，關(guān)閉 Binlog 也會對性能帶來提升。

所有節(jié)點(diǎn)共享一份全量數(shù)據(jù)和 Redo log，增加只讀節(jié)點(diǎn)非常容易，主備之間的同步只需要元數(shù)據(jù)即可。這使得系統(tǒng)在主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障進(jìn)行 Failover 時候，切換到只讀節(jié)點(diǎn)的故障恢復(fù)時間能縮短到 30 秒以內(nèi)。

通過物理復(fù)制保證主備節(jié)點(diǎn)之間的一致性，其實(shí)有非常復(fù)雜的算法和策略去解決各種各樣可能出現(xiàn)不一致的 case，這里就不詳述了，可以閱讀這篇 http:// mysql.taobao.org/monthl y/2017/09/01/

4.Socrates

4.1 關(guān)鍵問題

Socrates 是 Azure 在 SQL Server 基礎(chǔ)上研發(fā)的云原生數(shù)據(jù)庫，依舊采用計(jì)算存儲分離的架構(gòu)，和 Aurora 相比，分離的更加徹底，在存儲層又將 Page 和日志存儲分開，目的是將持久化和高可用分離。

Azure 認(rèn)為云上的基于 log 主備同步的 SQL DB（RDS）存在以下幾個主要問題：

1. 數(shù)據(jù)容量受到單機(jī)存儲能力的限制。
2. 超大事務(wù)可能打爆本地磁盤。
3. Backup/Restore、新拉節(jié)點(diǎn)等操作的成本，和數(shù)據(jù)的體量成正比。
4. 每個節(jié)點(diǎn)保存全量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致彈性能力較差。

微軟為了解決這些問題，設(shè)計(jì)了一種新型的云原生數(shù)據(jù)庫，在計(jì)算存儲分離架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分離存儲層，將 Log 從存儲層分離出來，單獨(dú)設(shè)計(jì)高性能 log 服務(wù)。從更高的層面來講就是實(shí)現(xiàn)持久性(Durability，由日志實(shí)現(xiàn))和高可用性(Availability，由存儲層實(shí)現(xiàn))分離。絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫這兩個能力均是由存儲層提供的。

Socrates 分離這兩個概念的思路在于： （1）持久化不完全需要昂貴的存儲設(shè)備 （詳見5.2.2） 。（2）高可用不完全需要跟多副本 （例如常規(guī)的3副本，詳見 5.2.3）。

如果把這倆概念的需求分開，那么 Socrates 就需要（1）更少昂貴的告訴存儲資源和計(jì)算資源，（2）更少的數(shù)據(jù)拷貝。那么他具體是怎么做的呢？

4.2 核心技術(shù)

Socrates 將數(shù)據(jù)庫的各個組件拆成獨(dú)立服務(wù)，提供不同的能力。并盡量使用異步的方式通信，減少響應(yīng)時間，加快處理速度。Socrates 大體由 4 個組件組成

4.2.1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)

和上述兩種云原生數(shù)據(jù)庫一樣，Socrates 計(jì)算層包括一個讀寫實(shí)例和多個只讀實(shí)例。讀寫實(shí)例如出現(xiàn)故障，則某個只讀會被選為新的讀寫實(shí)例。

如上面架構(gòu)圖所示，數(shù)據(jù)庫實(shí)例如果需要讀取本都未緩存的 Page，需要通過 GetPage@LSN（實(shí)際上是 GetPage(PageID, LSN)） 的 RPC 從響應(yīng)的 Page Server 獲取。PageID 是 Page 的唯一標(biāo)識，LSN 則告訴 Page Server 需要返回 應(yīng)用此 LSN 或者更新的 Page。

一個簡單的例子：

• 讀寫實(shí)例在本地緩存更新 Page X 。
• 某種原因，本地 Buffer Pool 中 Page X 被淘汰（需要保證其修改已經(jīng) flush 到 XLOG）。
• 讀寫實(shí)例再次讀 Page X。

為了保證可以讀到最新版本的 Page X，需要指定的 LSN。讀寫實(shí)例向 Page Server 發(fā)送 GetPage(X, X_LSN) 請求，Page Server 會等待所有小于 X_LSN 的日志都 Apply 完成了再返回 Page X。讀寫節(jié)點(diǎn)維護(hù)了一個 PageID -> Page LSN 的映射。

讀寫實(shí)例和只讀實(shí)例之間沒有直接交互，只讀節(jié)點(diǎn)收到的日志，全部是 XLOG 廣播過來的。只讀節(jié)點(diǎn)收到后需要回放，回放過程中如果遇到相應(yīng) Page 不在 Buffer Pool，會直接丟棄。但是它也提供了另一種策略：從 Page Server 獲取 Page 并回放，這就保證了主備之間緩存大體一致，當(dāng)發(fā)生 failover 時，會更加穩(wěn)定。

4.2.2 XLOG

XLOG 是 Socrates 日志服務(wù)層，上圖展示了 XLOG 服務(wù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

首先，讀寫節(jié)點(diǎn)直接將日志同步寫到 Landing Zone(LZ) ，一個快速持久化存儲服務(wù)，以降低寫入延遲，它由 Azure 高級存儲服務(wù) (XIO) 實(shí)現(xiàn)，為了保證可靠性，數(shù)據(jù)也是三副本存儲。

同時，讀寫節(jié)點(diǎn)異步寫日志到 XLOG Process，該進(jìn)程將日志傳送到 Page Server 和只讀節(jié)點(diǎn)。LZ 存在的目標(biāo)僅是為了持久性，而非可用性，可用性由 Page Server 和計(jì)算節(jié)點(diǎn)保證。

讀寫節(jié)點(diǎn)并行寫日志到 LZ 和 XLOG Process。因此，日志可能在 LZ 持久化之前到達(dá)只讀節(jié)點(diǎn)，可能會在故障發(fā)生時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況。為此 XLOG Process 只廣播已在 LZ 中持久化的日志。讀寫節(jié)點(diǎn)首先將日志寫入到 XLOG Process 的 Pending Blocks，一旦日志持久化成功，XLOG Process 將它從 Pending Blocks 移動到LogBroker 用于廣播分發(fā)。

后臺還有一個 Destaging 線程，將已經(jīng)持久化的日志移動到本地 SSD 緩存，以實(shí)現(xiàn)快速訪問。同時移動到XStore 長期歸檔保存（Long-Term Archieve, LT）。XStore 使用廉價存儲，成本低、速度慢。LZ 和 LT 保存了所有的日志，共同實(shí)現(xiàn)持久化的目標(biāo)。Socrates 默認(rèn)將日志記錄保留30天，用于指定時間點(diǎn)恢復(fù)和災(zāi)難恢復(fù)。顯然，在 LZ 中保留 30 天的日志，成本非常高，XStore 可以完美接替這個任務(wù)。

LZ 快速但昂貴，有利于事務(wù)快速提交，XStore 廉價但慢，有利于節(jié)省成本。

4.2.3 Page Server

Page Server 主要負(fù)責(zé)三件事

• 通過回放日志，管理數(shù)據(jù)庫分區(qū)
• 響應(yīng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的 GetPage 請求
• 打 Checkpoint 和向 XStore 備份

每個 Page Server 只需要關(guān)心和自己存儲的 Page 相關(guān)的日志，日志中會增加充分的注釋信息，標(biāo)明日志記錄需要應(yīng)用到哪些分區(qū)中。XLOG Process 利用這些信息，可以為日志找到目標(biāo) Page。

Page Serve 和計(jì)算節(jié)點(diǎn)一樣，也使用RBPEX（Resilient Buffer Pool Extention）。但計(jì)算節(jié)點(diǎn)緩存是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的緩存方式：緩存最熱 Page 達(dá)到最好的性能。而 Page Server 緩存本分區(qū)的所有 Page。這對 GetPage 請求的性能非常友好，并且可以容忍 XStore 一定時間宕機(jī)。

新拉起一個 Page Server 也非常方便，RBPEX 緩存異步建立，同時 Page Server 可以接受請求和應(yīng)用日志了。因?yàn)槊總€ Page Server 管理的數(shù)據(jù)并不大，恢復(fù)起來還非常快的。高可用通過數(shù)據(jù)單副本和廉價存儲一份數(shù)據(jù)來共同實(shí)現(xiàn)。

4.2.4 XStore

數(shù)據(jù)庫所有的數(shù)據(jù)保存在 XStore 中，Page Server 相當(dāng)于是其一份緩存。XStore 是一個廉價、跨 AZ 高度復(fù)制的存儲系統(tǒng)，幾乎不會丟數(shù)據(jù)。XStore 相當(dāng)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中硬盤，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和 Page Server 的內(nèi)存和 SSD 緩存(RBPEX)，相當(dāng)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存。

總體來講，XLOG + XStore 實(shí)現(xiàn)了持久性，計(jì)算節(jié)點(diǎn) + Page Server 實(shí)現(xiàn)高可用性。

5.對比

對比下來，Aurora 是云原生數(shù)據(jù)庫的先驅(qū)，首次將數(shù)據(jù)庫的存儲和計(jì)算能力分割，并且將部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的能力下沉到存儲節(jié)點(diǎn)（主要是 Redo），大大減少數(shù)據(jù)的傳輸量，以提升性能和效率。Socrates 則在其之上更近一步，將數(shù)據(jù)庫的組件拆的更加細(xì)，行成多個服務(wù)層。這種架構(gòu)更加靈活，可用性和成本的控制粒度更細(xì)，可以幫助系統(tǒng)在保證性能和可用性的情況下，大幅控制成本。（并不是說 Socrates 比 Aurora 先進(jìn)，Aurora 近幾年發(fā)展非?？?，在 Multi-Master、Serveless 等領(lǐng)域都有一定的突破，在云數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域依舊處于領(lǐng)先地位）

雖然 PolarDB 也是存儲計(jì)算分離架構(gòu)，多個節(jié)點(diǎn)共享一份數(shù)據(jù)，但它的切面與 Aurora/Socrates 不同，存儲層是借助各種新硬件能力，保證高可靠、高性能的分布式文件系統(tǒng)，然后多個節(jié)點(diǎn)掛載在上面。PolarDB 認(rèn)為高速網(wǎng)絡(luò)和各類新硬件的發(fā)展讓網(wǎng)絡(luò)不再是大瓶頸，而瓶頸是在軟件自身，因此做了大量的工作適配新新硬件，使用 OS-bypass 和 zero-copy 的技術(shù)提高 CPU 使用效率。PolarDB 這樣的架構(gòu)其實(shí)更容易跟進(jìn)開源社區(qū)的新版本，因?yàn)橛?jì)算層的功能性改動并不是特別大，主要是適配新的存儲和物理復(fù)制等。

至于這兩種方式誰更好，那就仁者見仁了。