分庫分表,可能真的要退出歷史舞臺(tái)了!
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最近與同行科技交流,經(jīng)常被問到分庫分表與分布式數(shù)據(jù)庫如何選擇,網(wǎng)上也有很多關(guān)于中間件+傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(分庫分表)與NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫的文章,但有些觀點(diǎn)與判斷是我覺得是偏激的,脫離環(huán)境去評(píng)價(jià)方案好壞其實(shí)有失公允。 本文通過對(duì)兩種模式關(guān)鍵特性實(shí)現(xiàn)原理對(duì)比,希望可以盡可能客觀、中立的闡明各自真實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用場景。 NewSQL數(shù)據(jù)庫先進(jìn)在哪兒?首先關(guān)于“中間件+關(guān)系數(shù)據(jù)庫分庫分表”算不算NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫問題,國外有篇論文pavlo-newsql-sigmodrec,如果根據(jù)該文中的分類,Spanner、TiDB、OB算是第一種新架構(gòu)型,Sharding-Sphere、Mycat、DRDS等中間件方案算是第二種(文中還有第三種云數(shù)據(jù)庫,本文暫不詳細(xì)介紹)。 基于中間件(包括SDK和Proxy兩種形式)+傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(分庫分表)模式是不是分布式架構(gòu)?我覺得是的,因?yàn)榇鎯?chǔ)確實(shí)也分布式了,也能實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展。 但是不是"偽"分布式數(shù)據(jù)庫? 從架構(gòu)先進(jìn)性來看,這么說也有一定道理。"偽"主要體現(xiàn)在中間件層與底層DB重復(fù)的SQL解析與執(zhí)行計(jì)劃生成、存儲(chǔ)引擎基于B+Tree等,這在分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)中實(shí)際上冗余低效的。為了避免引起真?zhèn)畏植际綌?shù)據(jù)庫的口水戰(zhàn),本文中NewSQL數(shù)據(jù)庫特指這種新架構(gòu)NewSQL數(shù)據(jù)庫。 NewSQL數(shù)據(jù)庫相比中間件+分庫分表的先進(jìn)在哪兒?畫一個(gè)簡單的架構(gòu)對(duì)比圖:
這些大多也是NewSQL數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品主要宣傳的點(diǎn),不過這些看起來很美好的功能是否真的如此?接下來針對(duì)以上幾點(diǎn)分別闡述下的我的理解。
分布式事務(wù)這是把雙刃劍。 CAP限制想想更早些出現(xiàn)的NoSQL數(shù)據(jù)庫為何不支持分布式事務(wù)(最新版的mongoDB等也開始支持了),是缺乏理論與實(shí)踐支撐嗎?并不是,原因是CAP定理依然是分布式數(shù)據(jù)庫頭上的頸箍咒,在保證強(qiáng)一致的同時(shí)必然會(huì)犧牲可用性A或分區(qū)容忍性P。為什么大部分NoSQL不提供分布式事務(wù)? 那么NewSQL數(shù)據(jù)庫突破CAP定理限制了嗎?并沒有。NewSQL數(shù)據(jù)庫的鼻主Google Spanner(目前絕大部分分布式數(shù)據(jù)庫都是按照Spanner架構(gòu)設(shè)計(jì)的)提供了一致性和大于5個(gè)9的可用性,宣稱是一個(gè)“實(shí)際上是CA”的,其真正的含義是系統(tǒng)處于 CA 狀態(tài)的概率非常高,由于網(wǎng)絡(luò)分區(qū)導(dǎo)致的服務(wù)停用的概率非常小,究其真正原因是其打造私有全球網(wǎng)保證了不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)分區(qū),另外就是其高效的運(yùn)維隊(duì)伍,這也是cloud spanner的賣點(diǎn)。詳細(xì)可見CAP提出者Eric Brewer寫的《Spanner, TrueTime 和CAP理論》 完備性兩階段提交協(xié)議是否嚴(yán)格支持ACID,各種異常場景是不是都可以覆蓋?2PC在commit階段發(fā)送異常,其實(shí)跟最大努力一階段提交類似也會(huì)有部分可見問題,嚴(yán)格講一段時(shí)間內(nèi)并不能保證A原子性和C一致性(待故障恢復(fù)后recovery機(jī)制可以保證最終的A和C)。 完備的分布式事務(wù)支持并不是一件簡單的事情,需要可以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)以及各種硬件包括網(wǎng)卡、磁盤、CPU、內(nèi)存、電源等各類異常,通過嚴(yán)格的測試。之前跟某友商交流,他們甚至說目前已知的NewSQL在分布式事務(wù)支持上都是不完整的,他們都有案例跑不過,圈內(nèi)人士這么篤定,也說明了分布式事務(wù)的支持完整程度其實(shí)是層次不齊的。 但分布式事務(wù)又是這些NewSQL數(shù)據(jù)庫的一個(gè)非常重要的底層機(jī)制,跨資源的DML、DDL等都依賴其實(shí)現(xiàn),如果這塊的性能、完備性打折扣,上層跨分片SQL執(zhí)行的正確性會(huì)受到很大影響。 性能傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫也支持分布式事務(wù)XA,但為何很少有高并發(fā)場景下用呢?因?yàn)閄A的基礎(chǔ)兩階段提交協(xié)議存在網(wǎng)絡(luò)開銷大,阻塞時(shí)間長、死鎖等問題,這也導(dǎo)致了其實(shí)際上很少大規(guī)模用在基于傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的OLTP系統(tǒng)中。 NewSQL數(shù)據(jù)庫的分布式事務(wù)實(shí)現(xiàn)也仍然多基于兩階段提交協(xié)議,例如google percolator分布式事務(wù)模型, 采用原子鐘+MVCC+ Snapshot Isolation(SI),這種方式通過TSO(Timestamp Oracle)保證了全局一致性,通過MVCC避免了鎖,另外通過primary lock和secondary lock將提交的一部分轉(zhuǎn)為異步,相比XA確實(shí)提高了分布式事務(wù)的性能。
但不管如何優(yōu)化,相比于1PC,2PC多出來的GID獲取、網(wǎng)絡(luò)開銷、prepare日志持久化還是會(huì)帶來很大的性能損失,尤其是跨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量比較多時(shí)會(huì)更加顯著,例如在銀行場景做個(gè)批量扣款,一個(gè)文件可能上W個(gè)賬戶,這樣的場景無論怎么做還是吞吐都不會(huì)很高。
雖然NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品都宣傳完備支持分布式事務(wù),但這并不是說應(yīng)用可以完全不用關(guān)心數(shù)據(jù)拆分,這些數(shù)據(jù)庫的最佳實(shí)踐中仍然會(huì)寫到,應(yīng)用的大部分場景盡可能避免分布式事務(wù)。 既然強(qiáng)一致事務(wù)付出的性能代價(jià)太大,我們可以反思下是否真的需要這種強(qiáng)一致的分布式事務(wù)?尤其是在做微服務(wù)拆分后,很多系統(tǒng)也不太可能放在一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中。 嘗試將一致性要求弱化,便是柔性事務(wù),放棄ACID(Atomicity,Consistency, Isolation, Durability),轉(zhuǎn)投BASE(Basically Available,Soft state,Eventually consistent),例如Saga、TCC、可靠消息保證最終一致等模型,對(duì)于大規(guī)模高并發(fā)OLTP場景,我個(gè)人更建議使用柔性事務(wù)而非強(qiáng)一致的分布式事務(wù)。關(guān)于柔性事務(wù),筆者之前也寫過一個(gè)技術(shù)組件,最近幾年也涌現(xiàn)出了一些新的模型與框架(例如阿里剛開源的Fescar),限于篇幅不再贅述,有空再單獨(dú)寫篇文章。 HA與異地多活主從模式并不是最優(yōu)的方式,就算是半同步復(fù)制,在極端情況下(半同步轉(zhuǎn)異步)也存在丟數(shù)問題,目前業(yè)界公認(rèn)更好的方案是基于paxos分布式一致性協(xié)議或者其它類paxos如raft方式,Google Spanner、TiDB、cockcoachDB、OB都采用了這種方式,基于Paxos協(xié)議的多副本存儲(chǔ),遵循過半寫原則,支持自動(dòng)選主,解決了數(shù)據(jù)的高可靠,縮短了failover時(shí)間,提高了可用性,特別是減少了運(yùn)維的工作量,這種方案技術(shù)上已經(jīng)很成熟,也是NewSQL數(shù)據(jù)庫底層的標(biāo)配。 當(dāng)然這種方式其實(shí)也可以用在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫,阿里、微信團(tuán)隊(duì)等也有將MySQL存儲(chǔ)改造支持paxos多副本的,MySQL也推出了官方版MySQL Group Cluster,預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的未來主從模式可能就成為歷史了。
需要注意的是很多NewSQL數(shù)據(jù)庫廠商宣傳基于paxos或raft協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)【異地多活】,這個(gè)實(shí)際上是有前提的,那就是異地之間網(wǎng)絡(luò)延遲不能太高。以銀行“兩地三中心”為例,異地之間多相隔數(shù)千里,延時(shí)達(dá)到數(shù)十毫秒,如果要多活,那便需異地副本也參與數(shù)據(jù)庫日志過半確認(rèn),這樣高的延時(shí)幾乎沒有OLTP系統(tǒng)可以接受的。 數(shù)據(jù)庫層面做異地多活是個(gè)美好的愿景,但距離導(dǎo)致的延時(shí)目前并沒有好的方案。 之前跟螞蟻團(tuán)隊(duì)交流,螞蟻異地多活的方案是在應(yīng)用層通過MQ同步雙寫交易信息,異地DC將交易信息保存在分布式緩存中,一旦發(fā)生異地切換,數(shù)據(jù)庫同步中間件會(huì)告之?dāng)?shù)據(jù)延遲時(shí)間,應(yīng)用從緩存中讀取交易信息,將這段時(shí)間內(nèi)涉及到的業(yè)務(wù)對(duì)象例如用戶、賬戶進(jìn)行黑名單管理,等數(shù)據(jù)同步追上之后再將這些業(yè)務(wù)對(duì)象從黑名單中剔除。由于雙寫的不是所有數(shù)據(jù)庫操作日志而只是交易信息,數(shù)據(jù)延遲只影響一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù),這是目前我覺得比較靠譜的異地度多活方案。 另外有些系統(tǒng)進(jìn)行了單元化改造,這在paxos選主時(shí)也要結(jié)合考慮進(jìn)去,這也是目前很多NewSQL數(shù)據(jù)庫欠缺的功能。 Scale橫向擴(kuò)展與分片機(jī)制paxos算法解決了高可用、高可靠問題,并沒有解決Scale橫向擴(kuò)展的問題,所以分片是必須支持的。NewSQL數(shù)據(jù)庫都是天生內(nèi)置分片機(jī)制的,而且會(huì)根據(jù)每個(gè)分片的數(shù)據(jù)負(fù)載(磁盤使用率、寫入速度等)自動(dòng)識(shí)別熱點(diǎn),然后進(jìn)行分片的分裂、數(shù)據(jù)遷移、合并,這些過程應(yīng)用是無感知的,這省去了DBA的很多運(yùn)維工作量。以TiDB為例,它將數(shù)據(jù)切成region,如果region到64M時(shí),數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行遷移。 分庫分表模式下需要應(yīng)用設(shè)計(jì)之初就要明確各表的拆分鍵、拆分方式(range、取模、一致性哈希或者自定義路由表)、路由規(guī)則、拆分庫表數(shù)量、擴(kuò)容方式等。相比NewSQL數(shù)據(jù)庫,這種模式給應(yīng)用帶來了很大侵入和復(fù)雜度,這對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)來說也是一大挑戰(zhàn)。
這里有個(gè)問題是NewSQL數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一的內(nèi)置分片策略(例如tidb基于range)可能并不是最高效的,因?yàn)榕c領(lǐng)域模型中的劃分要素并不一致,這導(dǎo)致的后果是很多交易會(huì)產(chǎn)生分布式事務(wù)。 舉個(gè)例子,銀行核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)是以客戶為維度,也就是說客戶表、該客戶的賬戶表、流水表在絕大部分場景下是一起寫的,但如果按照各表主鍵range進(jìn)行分片,這個(gè)交易并不能在一個(gè)分片上完成,這在高頻OLTP系統(tǒng)中會(huì)帶來性能問題。 分布式SQL支持常見的單分片SQL,這兩者都能很好支持。NewSQL數(shù)據(jù)庫由于定位與目標(biāo)是一個(gè)通用的數(shù)據(jù)庫,所以支持的SQL會(huì)更完整,包括跨分片的join、聚合等復(fù)雜SQL。 中間件模式多面向應(yīng)用需求設(shè)計(jì),不過大部分也支持帶拆分鍵SQL、庫表遍歷、單庫join、聚合、排序、分頁等。但對(duì)跨庫的join以及聚合支持就不夠了。 NewSQL數(shù)據(jù)庫一般并不支持存儲(chǔ)過程、視圖、外鍵等功能,而中間件模式底層就是傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫,這些功能如果只是涉及單庫是比較容易支持的。 NewSQL數(shù)據(jù)庫往往選擇兼容MySQL或者PostgreSQL協(xié)議,所以SQL支持僅局限于這兩種,中間件例如驅(qū)動(dòng)模式往往只需做簡單的SQL解析、計(jì)算路由、SQL重寫,所以可以支持更多種類的數(shù)據(jù)庫SQL。 SQL支持的差異主要在于分布式SQL執(zhí)行計(jì)劃生成器,由于NewSQL數(shù)據(jù)庫具有底層數(shù)據(jù)的分布、統(tǒng)計(jì)信息,因此可以做CBO,生成的執(zhí)行計(jì)劃效率更高,而中間件模式下沒有這些信息,往往只能基于規(guī)則RBO(Rule-Based-Opimization),這也是為什么中間件模式一般并不支持跨庫join,因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了效率也往往并不高,還不如交給應(yīng)用去做。
存儲(chǔ)引擎傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)引擎設(shè)計(jì)都是面向磁盤的,大多都基于B+樹。B+樹通過降低樹的高度減少隨機(jī)讀、進(jìn)而減少磁盤尋道次數(shù),提高讀的性能,但大量的隨機(jī)寫會(huì)導(dǎo)致樹的分裂,從而帶來隨機(jī)寫,導(dǎo)致寫性能下降。NewSQL的底層存儲(chǔ)引擎則多采用LSM,相比B+樹LSM將對(duì)磁盤的隨機(jī)寫變成順序?qū)?,大大提高了寫的性能。不過LSM的的讀由于需要合并數(shù)據(jù)性能比B+樹差,一般來說LSM更適合應(yīng)在寫大于讀的場景。 當(dāng)然這只是單純數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)角度的對(duì)比,在數(shù)據(jù)庫實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)還會(huì)通過SSD、緩沖、bloom filter等方式優(yōu)化讀寫性能,所以讀性能基本不會(huì)下降太多。NewSQL數(shù)據(jù)由于多副本、分布式事務(wù)等開銷,相比單機(jī)關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL的響應(yīng)時(shí)間并不占優(yōu),但由于集群的彈性擴(kuò)展,整體QPS提升還是很明顯的,這也是NewSQL數(shù)據(jù)庫廠商說分布式數(shù)據(jù)庫更看重的是吞吐,而不是單筆SQL響應(yīng)時(shí)間的原因。 成熟度與生態(tài)分布式數(shù)據(jù)庫是個(gè)新型通用底層軟件,準(zhǔn)確的衡量與評(píng)價(jià)需要一個(gè)多維度的測試模型,需包括發(fā)展現(xiàn)狀、使用情況、社區(qū)生態(tài)、監(jiān)控運(yùn)維、周邊配套工具、功能滿足度、DBA人才、SQL兼容性、性能測試、高可用測試、在線擴(kuò)容、分布式事務(wù)、隔離級(jí)別、在線DDL等等。 雖然NewSQL數(shù)據(jù)庫發(fā)展經(jīng)過了一定時(shí)間檢驗(yàn),但多集中在互聯(lián)網(wǎng)以及傳統(tǒng)企業(yè)非核心交易系統(tǒng)中,目前還處于快速迭代、規(guī)模使用不斷優(yōu)化完善的階段。相比而言,傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫則經(jīng)過了多年的發(fā)展,通過完整的評(píng)測,在成熟度、功能、性能、周邊生態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)把控、相關(guān)人才積累等多方面都具有明顯優(yōu)勢(shì),同時(shí)對(duì)已建系統(tǒng)的兼容性也更好。 對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)公司,數(shù)據(jù)量的增長壓力以及追求新技術(shù)的基因會(huì)更傾向于嘗試NewSQL數(shù)據(jù)庫,不用再考慮庫表拆分、應(yīng)用改造、擴(kuò)容、事務(wù)一致性等問題怎么看都是非常吸引人的方案。 對(duì)于傳統(tǒng)企業(yè)例如銀行這種風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)較高的行業(yè)來說,NewSQL數(shù)據(jù)庫則可能在未來一段時(shí)間內(nèi)仍處于探索、審慎試點(diǎn)的階段?;谥虚g件+分庫分表模式架構(gòu)簡單,技術(shù)門檻更低,雖然沒有NewSQL數(shù)據(jù)庫功能全面,但大部分場景最核心的訴求也就是拆分后SQL的正確路由,而此功能中間件模式應(yīng)對(duì)還是綽綽有余的,可以說在大多數(shù)OLTP場景是夠用的。 限于篇幅,其它特性例如在線DDL、數(shù)據(jù)遷移、運(yùn)維工具等特性就不在本文展開對(duì)比。 總結(jié)如果看完以上內(nèi)容,您還不知道選哪種模式,那么結(jié)合以下幾個(gè)問題,先思考下NewSQL數(shù)據(jù)庫解決的點(diǎn)對(duì)于自身是不是真正的痛點(diǎn):
如果以上有2到3個(gè)是肯定的,那么你可以考慮用NewSQL數(shù)據(jù)庫了,雖然前期可能需要一定的學(xué)習(xí)成本,但它是數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向,未來收益也會(huì)更高,尤其是互聯(lián)網(wǎng)行業(yè),隨著數(shù)據(jù)量的突飛猛進(jìn),分庫分表帶來的痛苦會(huì)與日俱增。當(dāng)然選擇NewSQL數(shù)據(jù)庫你也要做好承擔(dān)一定風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)備。如果你還未做出抉擇,不妨再想想下面幾個(gè)問題:
如果這些問題有多數(shù)是肯定的,那還是分庫分表吧。在軟件領(lǐng)域很少有完美的解決方案,NewSQL數(shù)據(jù)庫也不是數(shù)據(jù)分布式架構(gòu)的銀彈。相比而言分庫分表是一個(gè)代價(jià)更低、風(fēng)險(xiǎn)更小的方案,它最大程度復(fù)用傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫生態(tài),通過中間件也可以滿足分庫分表后的絕大多數(shù)功能,定制化能力更強(qiáng)。 在當(dāng)前NewSQL數(shù)據(jù)庫還未完全成熟的階段,分庫分表可以說是一個(gè)上限低但下限高的方案,尤其傳統(tǒng)行業(yè)的核心系統(tǒng),如果你仍然打算把數(shù)據(jù)庫當(dāng)做一個(gè)黑盒產(chǎn)品來用,踏踏實(shí)實(shí)用好分庫分表會(huì)被認(rèn)為是個(gè)穩(wěn)妥的選擇。 該文章在 2024/8/29 12:39:36 編輯過 |
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