一、 POLARDB產(chǎn)品架構(gòu)簡介

POLARDB是阿里云數(shù)據(jù)庫團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于第三代云計(jì)算架構(gòu)下的商用關(guān)系型云數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)100%向下兼容MySQL 5.6的同時(shí)，支持單庫容量擴(kuò)展至上百TB以及計(jì)算引擎能力及存儲能力的秒級擴(kuò)展能力，對比MySQL有6倍性能提升及相對于商業(yè)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)大幅度降低成本。

第三代分布式共享存儲架構(gòu)究竟有什么優(yōu)勢?

圖為POLARDB的第三代分布式共享存儲架構(gòu)

首先，受益于第三代分布式共享存儲架構(gòu)，使POLARDB實(shí)現(xiàn)了計(jì)算節(jié)點(diǎn)(主要做SQL解析以及存儲引擎計(jì)算的服務(wù)器)與存儲節(jié)點(diǎn)(主要做數(shù)據(jù)塊存儲，數(shù)據(jù)庫快照的服務(wù)器)的分離，提供了即時(shí)生效的可擴(kuò)展能力和運(yùn)維能力。

眾所周知，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫上做擴(kuò)容、備份和遷移等操作，花費(fèi)的時(shí)間和數(shù)據(jù)庫的容量成正比，往往上TB的數(shù)據(jù)庫容量加個(gè)只讀副本就需要一到兩天時(shí)間。POLARDB的存儲容量可以實(shí)現(xiàn)無縫擴(kuò)展，不管數(shù)據(jù)量有多大，2分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)只讀副本擴(kuò)容，1分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)全量備份，為企業(yè)的快速業(yè)務(wù)發(fā)展提供了彈性擴(kuò)展能力。

其次，與傳統(tǒng)云數(shù)據(jù)庫一個(gè)實(shí)例一份數(shù)據(jù)拷貝不同，POLARDB同一個(gè)實(shí)例的所有節(jié)點(diǎn)(包括讀寫節(jié)點(diǎn)和只讀節(jié)點(diǎn))都實(shí)現(xiàn)訪問存儲節(jié)點(diǎn)上的同一份數(shù)據(jù)，使得POLARDB的數(shù)據(jù)備份耗時(shí)實(shí)現(xiàn)秒級響應(yīng)。(備份時(shí)間與底層數(shù)據(jù)量無關(guān))

***，借助優(yōu)秀的RDMA網(wǎng)絡(luò)以及***的塊存儲技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器宕機(jī)后無需搬運(yùn)數(shù)據(jù)重啟進(jìn)程即可服務(wù)，滿足了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下企業(yè)對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器高可用的需求。

二、 為什么POLARDB能做到6倍于MySQL的性能?

這里我們將分別以存儲性能、計(jì)算性能來進(jìn)行解讀詮釋。

圖為阿里云POLARDB性能全景

1. POLARDB的存儲引擎性能優(yōu)化

• 持續(xù)釋放硬件紅利

眾所周知，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是IO密集型的應(yīng)用，IO性能的提高對數(shù)據(jù)庫的性能提升至關(guān)重要。過去十年我們看到在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，SSD替換HDD的過程給數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理的吞吐能力帶來了數(shù)量級的提升。

POLARDB采用了領(lǐng)先的硬件技術(shù)：包括使用3DXpoint存儲介質(zhì)的Optane存儲卡、NVMe SSD和RoCE RDMA網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)面向新硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟硬一體優(yōu)化：從數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、分布式存儲系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動，POLARDB實(shí)現(xiàn)縱貫軟件棧各層次的整個(gè)IO鏈條的深度優(yōu)化。

為了將3DXpoint顆粒的高性能和3D NAND顆粒的低成本結(jié)合起來，POLARDB創(chuàng)新的在軟件層實(shí)現(xiàn)對高速的Optane卡和大容量高吞吐的NVMe SSD進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)名為混合存儲層。既保證數(shù)據(jù)寫入的低延遲、高吞吐、高QoS，又使整體方案兼具較高的性價(jià)比。

• 旁路內(nèi)核，榨干硬件能力

在POLARDB里，為了追求更高的性能、更低的延遲，阿里云數(shù)據(jù)庫團(tuán)隊(duì)大膽的拋棄了Linux內(nèi)核提供的各種機(jī)制，比如塊設(shè)備、各種文件系統(tǒng)例如ext4，以及TCP/IP協(xié)議棧和socket編程接口而選擇了另起爐灶。最終，POLARDB實(shí)現(xiàn)了一整套在用戶態(tài)運(yùn)行的IO和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

POLARDB用戶態(tài)協(xié)議棧解決了內(nèi)核IO協(xié)議棧慢的問題。用戶程序在用戶態(tài)直接通過DMA操作硬件設(shè)備，通過輪詢的方式監(jiān)聽硬件設(shè)備完成IO事件，消除了上下文切換和中斷的開銷。用戶程序還可以將IO處理線程和cpu進(jìn)行一一映射，每個(gè)IO處理線程獨(dú)占CPU，相互之間處理不同的IO請求，綁定不同的IO設(shè)備硬件隊(duì)列，一個(gè)IO請求生命周期從頭到尾都在一個(gè)線程一顆CPU上處理，不需要鎖進(jìn)行互斥。這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)***化的和高速設(shè)備進(jìn)行性能交互，實(shí)現(xiàn)一顆CPU達(dá)每秒約20萬次IO處理的能力，并且保持線性的擴(kuò)展能力，也就意味著4顆CPU可以達(dá)到每秒80萬次IO處理的能力，在性能和經(jīng)濟(jì)型上遠(yuǎn)高于內(nèi)核。

網(wǎng)絡(luò)也是類似的情況。過去傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，網(wǎng)卡發(fā)一個(gè)報(bào)文到另一臺機(jī)器，中間通過一跳交換機(jī)，大概需要一百到兩百微秒。POLARDB支持ROCE以太網(wǎng)，應(yīng)用程序通過RDMA網(wǎng)絡(luò)，直接將本機(jī)的內(nèi)存寫入另一臺機(jī)器的內(nèi)存地址，或者從另一臺機(jī)器的內(nèi)存讀一塊數(shù)據(jù)到本機(jī)，中間的通訊協(xié)議編解碼、重傳機(jī)制都由RDMA網(wǎng)卡來完成，不需要CPU參與，使性能獲得極大提升，傳輸一個(gè)4k大小報(bào)文只需要6、7微秒的時(shí)間。如同內(nèi)核的IO協(xié)議棧跟不上高速存儲設(shè)備能力，再一次的，內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議棧跟不上高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力，被POLARDB的用戶態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧代替。

• 硬件DMA和物理復(fù)制實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫多副本

大家都知道關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的重要特性歸納起來是“ACID”，其中A是原子性，C是約束，I是隔離性，D是持久性。

POLARDB將從兩個(gè)維度出發(fā)，從根本上改進(jìn)多副本復(fù)制。一個(gè)是保證數(shù)據(jù)庫ACID中的D(Durable)，把網(wǎng)絡(luò)、存儲硬件提供的DMA能力串起，用硬件通道高性能的把主庫的日志數(shù)據(jù)持久化到三個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)的磁盤中;另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)了高效的只讀節(jié)點(diǎn)，在主庫和只讀節(jié)點(diǎn)之間通過物理復(fù)制同步數(shù)據(jù)，直接更新到只讀節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存里。 如何實(shí)現(xiàn)?

POLARDB實(shí)現(xiàn)日志數(shù)據(jù)持久化到三個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)的磁盤中。主庫通過RDMA將日志數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中，存儲節(jié)點(diǎn)之間再通過RDMA互相復(fù)制，每個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)用SPDK將數(shù)據(jù)寫入NVMe接口的存儲介質(zhì)里，整個(gè)過程CPU不用訪問被同步的數(shù)據(jù)塊(Payload)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)零拷貝。

同時(shí)由RDMA網(wǎng)卡和NVMe控制器完成數(shù)據(jù)傳輸和持久化，CPU僅做狀態(tài)機(jī)的維護(hù)，在一致性協(xié)議的協(xié)調(diào)下，把網(wǎng)卡和存儲卡兩塊硬件串起來，存儲節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)同步采用并發(fā)Raft(Parallel Raft)協(xié)議，和Raft協(xié)議一樣，決議在leader節(jié)點(diǎn)上是串行生成和提交的，但并發(fā)Raft協(xié)議可以允許主從之間亂序同步，簡單的說，允許follower節(jié)點(diǎn)在漏掉若干條日志的情況先commit并apply后面過來的日志，并異步的去補(bǔ)之前漏掉的日志，數(shù)據(jù)同步的性能和穩(wěn)定性都顯著優(yōu)于Raft協(xié)議。

POLARDB在主庫和只讀實(shí)例之間的數(shù)據(jù)流上，放棄了基于binlog的邏輯復(fù)制，而是基于innodb的redolog實(shí)現(xiàn)了物理復(fù)制，從邏輯復(fù)制到物理復(fù)制對主庫和從庫性能帶來的提升都非常明顯。

在主庫上，原本引擎需要和binlog做XA事務(wù)，事務(wù)要等到binlog和redolog同時(shí)寫盤后才能返回，去掉binlog后，XA事務(wù)可以去掉，事務(wù)的執(zhí)行路徑更短，IO開銷也更小。在從庫上，redolog由于是物理復(fù)制，僅需比對頁面的LSN就可以決定是否回放，天然可以多線程執(zhí)行，數(shù)據(jù)的正確性也更有保證，此外，POLARDB的從庫收到redolog后只需要更新緩存里的頁面，并不需要寫盤和IO操作，開銷遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)多副本復(fù)制里的從庫。

• 針對數(shù)據(jù)庫加速的Smart Storage

POLARDB的存儲節(jié)點(diǎn)針對數(shù)據(jù)庫的IO workload進(jìn)行了一些針對性的優(yōu)化。

IO優(yōu)先級優(yōu)化：POLARDB在文件系統(tǒng)和存儲節(jié)點(diǎn)兩層都開了綠色通道，對redolog文件的更新進(jìn)行優(yōu)待處理，減少排隊(duì)，提高IO的優(yōu)先級。redolog也從512對齊調(diào)整為4k對齊，對SSD性能更加友好。

double write優(yōu)化：POLARDB存儲節(jié)點(diǎn)原生支持1MB的原子寫，因此可以安全關(guān)閉double write，從而節(jié)省了近一倍的IO開銷。

group commit優(yōu)化：POLARDB里一次group commit可以產(chǎn)生寫入幾百KB的單個(gè)大IO。對于單個(gè)SSD，延遲和IO的大小是呈線性的，而POLARDB從文件系統(tǒng)到存儲節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行一系列優(yōu)化來保證這種類型的IO能盡快刷下去，針對redolog文件進(jìn)行條帶化，將一個(gè)上百KB的大IO切割為一批16KB的較小IO，分發(fā)到多個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)和不同的磁盤上去執(zhí)行，進(jìn)一步的降低關(guān)鍵IO路徑的延遲。

2. POLARDB的計(jì)算引擎性能優(yōu)化

• 使用共享存儲物理復(fù)制

由于POLARDB使用共享存儲和物理復(fù)制，實(shí)例的備份恢復(fù)也做到完全依賴redolog，因此去掉了binlog。使得單個(gè)事務(wù)對io的消耗減少，有效減少語句響應(yīng)時(shí)間，提升吞吐量。同時(shí)避免了引擎需要與binlog做的XA事務(wù)邏輯，事務(wù)語句的執(zhí)行路徑更短。

• 鎖優(yōu)化

POLARDB針對高并發(fā)場景，對引擎內(nèi)部鎖做了大量優(yōu)化，比如把latch分解成粒度更小的鎖，或者把latch改成引用計(jì)數(shù)的方式從而避免鎖競爭，例如Undo segment mutex, log system mutex等等。PolarDB還把部分熱點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改成了Lock Free的結(jié)構(gòu)，例如Server層的MDL鎖。

• 日志提交優(yōu)化

Redolog的順序?qū)懶阅軐?shù)據(jù)庫性能的影響很大，為了減少Redolog切換時(shí)對性能的影響，我們后臺采用類似Fallocate的方式預(yù)先分配日志文件，此外，現(xiàn)代的SSD硬盤很多都是4K對齊，而MySQL代碼還是按照早期磁盤512字節(jié)對齊的方式刷日志的，這樣會導(dǎo)致磁盤做很多不必要的讀操作，不能發(fā)揮出SSD盤的性能，我們在這方面也做了優(yōu)化。我們對日志提交時(shí)Group Commit進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)采用Double RedoLog Buffer提升并行度。

• 復(fù)制性能

POLARDB中物理復(fù)制的性能至關(guān)重要，我們不僅通過基于數(shù)據(jù)頁維度的并行提高了性能，還對復(fù)制中的必要流程進(jìn)行了優(yōu)化，例如在MTR日志中增加了一個(gè)長度字段，從而減少了日志Parse階段的CPU開銷，這個(gè)簡單的優(yōu)化就能減少60%的日志Parse時(shí)間。我們還通過復(fù)用Dummy Index的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少了其在Malloc/Free上的開銷，進(jìn)一步提高復(fù)制性能。

• 讀節(jié)點(diǎn)性能

POLARDB的Replica節(jié)點(diǎn)，日志目前是一批一批應(yīng)用的，因此當(dāng)新的一批日志被應(yīng)用之前，Replica上的讀請求不需要重復(fù)創(chuàng)建新的ReadView，可以使用上次緩存下來的。這個(gè)優(yōu)化也能提高Replica上的讀性能。

三、 為什么POLARDB能做到遠(yuǎn)低于商業(yè)數(shù)據(jù)庫的成本

• 存儲資源池化

POLARDB采用了一種計(jì)算和存儲分離的架構(gòu)，DB運(yùn)行在計(jì)算節(jié)點(diǎn)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)計(jì)算資源池，數(shù)據(jù)都放在存儲節(jié)點(diǎn)上，存儲節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)存儲資源池。如果CPU和內(nèi)存不夠了，就擴(kuò)充計(jì)算資源池，如果容量或者IOPS不夠了，就擴(kuò)充存儲資源池，兩個(gè)池子都是按需擴(kuò)容。而且存儲節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以分別向兩個(gè)方向優(yōu)化，存儲節(jié)點(diǎn)會選擇低配的CPU和內(nèi)存，提高存儲密度，而計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以選擇小容量、低配的SSD作為操作系統(tǒng)和日志盤，上多路服務(wù)器增加CPU的核數(shù)。

而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫部署模型則是一種煙囪模型，一臺主機(jī)既跑數(shù)據(jù)庫又存數(shù)據(jù)，這帶來兩個(gè)問題。一個(gè)是機(jī)型難以選擇，CPU和磁盤的配比主要取決于實(shí)際業(yè)務(wù)的需求，很難提前找到***比例。第二是磁盤碎片問題，一個(gè)生產(chǎn)集群里，總有部分機(jī)器磁盤使用率是很低的，有的還不到10%，但出于業(yè)務(wù)穩(wěn)定性要求，會要求獨(dú)占主機(jī)的CPU，這些機(jī)器上的SSD其實(shí)是被浪費(fèi)的。通過存儲資源池化，這兩個(gè)問題都能得到解決，SSD的利用率得到提高，成本自然也降低下來。

• 透明壓縮

POLARDB的存儲節(jié)點(diǎn)除了對ibd文件提供1MB的原子寫，消除double write的開銷，還支持對ibd文件的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行透明壓縮，壓縮率可以達(dá)到2.4倍，進(jìn)一步降低了存儲成本。

而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在DB內(nèi)進(jìn)行壓縮的方案相比，存儲節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)透明壓縮不消耗計(jì)算節(jié)點(diǎn)的CPU，不影響DB的性能，利用QAT卡進(jìn)行加速，以及在IO路徑上用FPGA進(jìn)行加速。POLARDB的存儲節(jié)點(diǎn)還支持快照去重(dedup)功能，數(shù)據(jù)庫的相鄰快照之間，如果頁面沒有發(fā)生修改，會鏈接到同一份只讀頁面上，物理上只會存儲一份。

• 0存儲成本的只讀實(shí)例

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫做只讀實(shí)例，實(shí)施一寫多讀方案，是通過搭建只讀副本的方案，先拷貝一個(gè)最近的全量備份恢復(fù)一個(gè)臨時(shí)實(shí)例，再讓這個(gè)臨時(shí)實(shí)例連接主庫或者其他binlog源同步增量數(shù)據(jù)，增量追上后，把這個(gè)臨時(shí)實(shí)例加到線上升級為一個(gè)只讀副本。這種方法一個(gè)是耗時(shí)，搭建一個(gè)只讀實(shí)例需要的時(shí)間與數(shù)據(jù)量成正比;另一方面也很昂貴，需要增加一份存儲成本，比如用戶購買一個(gè)主實(shí)例加上五個(gè)只讀實(shí)例，需要付7~8份存儲的錢(7份還是8份取決于主實(shí)例是兩副本還是三副本)。

而在PolarDB架構(gòu)中，這兩個(gè)問題都得到解決，一方面新增只讀實(shí)例不需要拷貝數(shù)據(jù)，不管數(shù)據(jù)量有多大都可以在2分鐘內(nèi)創(chuàng)建出來;另一方面，主實(shí)例和只讀實(shí)例共享同一份存儲資源，通過這種架構(gòu)去增加只讀副本，可以做到零新增存儲成本，用戶只需要支付只讀實(shí)例消耗的CPU和內(nèi)存的費(fèi)用。

POLARDB是未來云數(shù)據(jù)庫的雛形(All in one)，一個(gè)數(shù)據(jù)庫即可滿足現(xiàn)時(shí)多類數(shù)據(jù)庫混合使用效果。阿里云發(fā)揮自身自研能力優(yōu)勢，以POLARDB為產(chǎn)品契機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫OLTP與OLAP的一體化設(shè)計(jì)，為企業(yè)的數(shù)字化升級所需的IT設(shè)施架構(gòu)實(shí)現(xiàn)革命性進(jìn)化。