一些关系数据库的架构总结

一 前言

本文总结一下接触过的关系型数据库常用的几种架构及其演进历史。 分析数据库架构方案的几个视角用发生故障时的高可用性、切换后的数据一致性和扩展性。每个产品都还有自己独特的优势和功能，这里不一定会提到。

二 Oracle数据库的架构方案

ORACLE数据库既能跑OLTP业务，也能跑OLAP业务，能力是商业数据库中数一数二的。支持IBM小机和x86 PC服务器，支持多种OS。同时有多种数据库架构方案供选择，成本收益风险也各不相同。

A.IBM AIX HACMP + ORACLE9I + EMC

图1:IBM AIX HACMP + ORACLE9I + EMC 架构说明：

1. 两台IBM AIX A和B。AIX A运行Oracle Primary实例，AIX B分出部分资源虚拟一个OS C，运行Oracle Standby实例。AIX B剩余大部分资源空闲，用于未来起另外一个OraclePrimary实例。
2. 两台存储（EMC只是举例）A和B，分别直连两台AIX A和B。存储A存放Primary实例的日志和数据，也存放Standby实例的Redo（图中未画出，只有在角色未Primary时有效）。存储B存放Standby实例的日志和数据，也存放Primary实例的Redo文件。
3. AIX也可以换普通的x86_64 PC服务器，HACMP换为支持linux的集群软件。如Veritas HA。 功能：
4. 高可用：Oracle Primary实例不可用时，HACMP起用AIX B上的Oracle Primary实例。存储A不可用时，将AIX C上Standby实例Failover为Primary实例。
5. 数据一致性：Redo文件在两个存储上都有保留，Standby实例在Failover之前应用Primary的Redo，理论上即使是Failover也不丢数据。
6. 扩展性：数据库性能由主机aix和存储能力决定，都可以向上扩展，成本会陡升，且有上限。

B.x86 + ORACLE RAC + EMC

架构说明：

1. 两台主机A和B可以是AIX，也可以是x86_64普通PC服务器，彼此网络直连，同时连接共享的存储EMCA，A和B分别运行一个RAC Primary实例。
2. 主机C可以是AIX或x86_64普通PC服务器，直连另外一个存储B，运行Standby实例。也有的架构会有多个Standby实例，其中一个Standby实例也是RAC。

功能:

1. 高可用：Oracle RACPrimary实例无论哪个不可用，另外一个都可以自动接管服务。如果Primary实例的存储A不可用，则将Standby实例Failover为Primary实例。
2. 数据一致性：如果Primary实例也将一组Redo 成员输出到B存储，则理论上可以绝对不丢数据。否则，极端情况下，Failover可能会因为缺少Primary的事务日志而失败，此时直接激活Standby实例为Primary实例，可能会丢失少量数据。
3. 扩展性：数据库计算能力不足可以水平扩展（添加RAC节点），存储能力不足可以向上扩展（存储扩容）。

C. Oracle Dataguard 共享Redo

架构说明:

1. 普通x86服务器A和B，分别运行Oracle的Primary和Standby实例。彼此网络直连，同时连接一个共享存储。
2. Primary和Standby实例的Redo和控制文件、spfile都放在共享存储上，所以占用空间非常小。数据文件放在本机上，通常是高速存储（如SSD或者PCIE接口的Flash设备）。

功能：

1. 高可用：当Primary实例不可用时，将Standby实例Failover为Primary实例。如果共享存储不可用，则两个实例都不可用。通常会有第三个Standby实例。
2. 数据一致性：Standby实例在Failover之前应用Primary实例的Redo文件，不丢失事务日志，数据强一致。
3. 扩展性：无。

三 MySQL数据库的架构方案

A. ADHA （Alibaba Database High Availability）

架构说明:

1. 使用MySQL Master-Master架构，双向同步，Slave只读。
2. 使用Zookeeper集群做实例不可用监测和防止脑裂。

功能:

1. 高可用：Master实例不可用后，将Slave激活。可用性优先。如果Slave延时超出一定阀值，放弃切换。zk集群三节点部署，可以防止脑裂。
2. 数据一致性：为尽可能少的减少数据丢失，推荐开启单向半同步技术。同时在老Master恢复后会尽可能的弥补未及时同步到新Master的数据。由于同步依赖Binlog，理论上也是无法保证主从数据绝对一致。
3. 扩展性：可以做读写分离，可以新增slave扩展读服务能力。

B. MHA （Master High Availability）

架构说明:

1. 从MySQL主从同步架构衍生出来的，使用半同步技术，所以至少有两个从实例（Slave）。所以整体架构为一主两从，两个从库不是级联关系。

功能:

1. 高可用:Master不可用时，自动从两个Slave里选出包含Binlog最多的Slave，并提升为Master。同时更改另外一个Slave的Master为新的Master。Master异常时，Slave上的拉取的Binlog如果有丢失(master或者slave故障时)，很容易出现复制中断，因此这种高可用机制并不总是有效。
2. 数据一致性:为了尽可能少的丢失Binlog，主从同步推荐使用半同步技术。在网络异常的情况下，半同步有可能降级为异步同步。MHA只是尽最大程度保证数据不丢失。且由于同步依赖的是Binlog，主从的数据理论上也并不能保证严格一致。
3. 扩展性:可以提供读写分离服务，可以新增slave节点扩展读服务能力。

C. PXC （Percona XtraDB Cluster）

架构说明:

1. 可以两个节点，推荐三个节点（防脑裂），组成一个Cluster。三节点同时提供读写服务。数据是独立的三份，不是共享存储。
2. 事务提交是同步复制，在所有从节点都同步提交。

功能:

1. 高可用:三节点同时提供读写服务，挂任意一个节点都没有影响。
2. 数据一致性:数据强同步到所有节点，不丢数据。要求有主键，某些SQL不支持同步。
3. 扩展性:事务提交是同步复制，性能受限于最差的那个节点。
4. 其他:多主复制，但不能同时写同一行数据（乐观锁，会报死锁类错误）。另外，有写放大弊端。

四. 分布式数据库中间件的架构方案

A. 分布式数据库DRDS

架构说明:

1. DRDS Server节点是一组无状态的程序，响应SQL请求并做分库分表路由转换和SQL改写、聚合计算等。支持库和表两级维度拆分，支持多种灵活的拆分策略，支持分布式事务。
2. MySQL节点主要是存储数据、主备双向同步架构，外加MySQL的PaaS平台提供高可用切换、自动化运维能力。
3. 围绕这个架构的还有数据同步组件（精卫），实现小表广播、异构索引表等能力。
4. 该架构最新版本在只读实例基础上实现了MPP并行计算引擎，支持部分OLAP查询场景。

功能:

1. 高可用:计算节点（DRDS Server节点）的高可用通过前端负载均衡设备实现，存储节点（MySQL）的高可用靠ADHA实现。RTO在40s左右，RPO>=0。
2. 数据一致性:MySQL主备同步是半同步或者异步。ADHA最大可能的降低MySQL故障切换时的主备不一致概率，理论上无法保证绝对强一致，RPO>=0。
3. 扩展性:计算和存储节点都可以分别扩容。存储的扩容通过MySQL实例的增加以及数据的迁移和重分布等。
4. 运维:故障时，主备强切后，会有一定概率出现主备同步因为数据不一致而中断。

B. 分布式数据库TDSQL

架构说明:

1. 计算节点:由一组无状态的网关节点组成，负责SQL路由、MySQL主故障时的路由切换等。
2. 调度系统:用zk集群做元数据管理、监测故障和做数据库故障切换、弹性伸缩任务等。
3. 存储节点:MySQL主备架构，一主两从，做强同步或者异步同步。
4. 支持全时态数据模型

功能:

1. 高可用:网关前端推测也有负载均衡，MySQL主备切换依赖zk判断，RTO在40s左右
2. 数据一致性:一主两备使用强同步的时候，基本可以保证RPO=0. 如果是异步，可能切换时会有延迟。
3. 扩展性:通过提升网关能力或者个数来提升计算能力，增加MySQL节点数然后调整数据分布来提升计算和存储能力。
4. 运维:异常时，可能出现主备由于数据不一致导致同步服务中断，需要修复。

C. 分布式数据库 GoldenDB

架构上也是分库分表，跟DRDS原理基本相同。

D. 分布式数据库 MyCat

架构原理和功能跟前面两类基本相同。底层存储节点还支持Oracle和Hive。

E. 分布式数据库 HotDB

热璞科技开发的支持分库分表数据库中间件。

五. 分布式数据库

A. Google的F1

说明:

1. F1支持sql，底层可以支持MySQL和Spanner。选择Spanner原因主要是Spanner不需要手动分区、使用Paxos协议同步数据并保证强一致以及高可用。
2. Spanner分为多个Zone部署。每个zone有一个zonemaster（管理元数据和spannerserver）、多个spannerserver。
3. Spanner的数据存储在tablet里，每个tablet按固定大小切分为多个directory。Spanner以directory为单位做负载均衡和高可用，paxos group是对应到directory的。
4. Spanner的TrueTime 设计为分布式事务实现方案提供了一个新的方向（分布式MVCC）。

B. PingCap的TiDB

TiDB主要是参考Google的Spanner和F1的设计，架构上有很多相似的地方。

架构说明:

1. TiDB server负责处理SQL并做路由。无状态，可以部署多个节点，结合负载均衡设计对外提供统一的接入地址。
2. PD Server 是集群的管理模块，存储元数据和对TiKV做任务调度和负载均衡，以及分配全局唯一递增的事务ID。
3. TiKV Server 是存储节点，外部看是Key-Value存储引擎，表数据自动按固定大小（如20M，可配置）切分为多个Region分散在多台TiKV Server上。Region是数据迁移和高可用的最小单位，Region的内容有三副本，分布在三个区域，由Raft协议做数据同步和保证强一致。
4. 支持分布式事务，最早实现全局一致性快照。支持全局一致性备份。
5. 兼容MySQL主要语法。

功能:

1. 可用性：计算节点无状态部署，结合负载均衡设计保证高可用和负载均衡。存储节点是三副本部署，使用Raft协议维持三副本数据一致性和同步，有故障时自动选举（高可用）。
2. 扩展性：计算和存储分离，可以单独扩展。存储节点扩展后，数据会重新分布，应该是后台异步任务完成，不影响业务读写，可以在线扩容。可以用于做异地容灾，两地三中心异地多活（三机房之间网络延时很小）
3. 数据一致性：计算节点故障不会导致数据丢失，存储节点故障会自动选举，新的leader跟老的leader数据是强一致的。

C. Alipay的OceanBase

OceanBase的设计思路跟Spanner类似，但在SQL、存储、事务方面都有自己的创新。

架构说明:

1. 目前版本计算和存储都集中在一个节点上（PC，OBServer）上，单进程程序，进程包括SQL引擎和存储引擎功能。
2. 表数据存在一个或多个分区（使用分区表），需要业务指定分区规则。分区是数据迁移和高可用的最小单位。分区之间的一致性是通过MultiPaxos保证。
3. 支持分布式事务、2.x版本支持全局一致性快照。支持全局一致性备份。
4. 兼容MySQL主要用法和Oracle标准SQL用法，目前正在逐步兼容Oracle更多功能。如存储过程、游标和Package等。目标是兼容Oracle常用功能以实现去IOE时应用不修改代码的目标。
5. 有多租户管理能力，租户弹性扩容，租户之间有一定资源隔离机制。
6. 应用可以通过一个反向代理obproxy或者ob提供的connector-java访问OceanBase集群。

跟Spanner的关系和区别:

1. Spanner大概2008年开始研发，2012年通过论文对外公开。首次跨地域实现水平扩展，并基于普通PC服务器实现自动高可用和数据强一致。OceanBase在2010年开始立项研发，也是基于普通PC服务器，发展出自己独特的ACID特性和高可用技术以及拆分技术。
2. Spanner对标准SQL支持不好，不是真正的关系型数据库，定位于内部应用。OceanBase定位于通用的分布式关系型数据库，支持标准SQL和关系模型。基本兼容MySQL功能，逐步兼容Oracle功能。
3. Spanner借助原子钟硬件和TrueTime设计支持全局一致性快照，提供快照读隔离级别，对节点间网络延时要求比较高。OceanBase使用软件提供全局时间服务，实现了全局一致性快照功能。
4. Spanner的内部诊断跟踪机制很欠缺，OceanBase的内部诊断分析机制功能很完善，是瞄准商业软件标准去做的。

功能:

1. 扩展性:租户和集群的弹性伸缩非常方便，可以在线进行，对业务写影响可控。可以用于两地三中心异地容灾和多活（结合业务做单元化设计）。
2. 可用性:单个或多个observer不可用时，只要分区的绝大部分成员存活，则可以迅速选举恢复服务（RTO=20s）。
3. 数据一致性:故障恢复后，数据库数据绝对不丢。RPO=0。