一文读懂GaussDB(for Mongo)的计算存储分离架构

1.摘要

GaussDB(for Mongo)是华为云自主研发兼容MongoDB4.0接口的文档数据库。基于共享存储的存算分离架构，对于传统MongoDB社区版有如下优势：

• 秒级添加Secondary节点(相比社区版Mongo小时级添加Secondary节点)
• 基于WAL复制, Secondary节点无写IO,从根本上解决社区版Seconary节点Oplog脱节问题
• Primary/Seconary无任何IO交互,Secondary节点个数理论无上限, 支持百万OPS的读事务能力
• LSMTree Compaction 计算/IO卸载到Compaction统一调度池,集中管理,不浪费用户读写IO
• 基于共享存储，Chunk分裂/迁移动作不引起真实IO，只更新路由元数据，秒级分裂/均衡

2.GaussDB(for Mongo)技术架构

1）容忍更多Shard宕机

与社区版MongoDB的Share-Nothing模式不同的是，GaussDB(for Mongo)采用Share-Storage架构，计算存储分离。集群模式下，N个Shard节点，可以容忍N-1个Shard宕机。

某个Shard节点宕机后，其负责的数据由于存在于共享的存储池中，因此不需要物理拷贝数据，只需要修改元数据路由信息，即可被其他分片节点接管。

2）更快的分裂与均衡能力

此外，由于 Chunk 数据在存储池中，Chunk 的分裂与均衡不涉及到数据拷贝，可以做到分钟级分裂与扩容，分裂与扩容对用户的影响也远比社区版 MongoDB 小。

3）百万级读 OPS 能力

GaussDB(for Mongo) 副本集模式下，Primary/Secondary 节点之间共享同一份数据库文件。Secondary 节点只复制 Primary 节点的 WriteAheadLog 以及 LSMTree 的结构变更信息，并应用到内存中。Secondary 节点没有 LSMTree 的 Compaction 和 Flush 任务，因此对用户的读业务影响很小。

此外，由于Share-Storage的架构优势，添加 Secondary 节点并不需要拷贝数据，添加 Secondary 节点的动作可以秒级完成。而 Primary/Secondary 之间只传递元数据变更，不传递 WriteAheadLog，因此 Secondary 节点的个数即使变多，也不影响 Primary 节点的写性能。Secondary 节点可以水平扩展，支撑百万级的读 OPS。

4）主节点 IO 卸载

LSMTree 的写压力来源于三部分：

• 用户的业务写入导致的 Memtable Flush
• 后台 SST 文件 Compaction
• WAL 的持续写入

根据线上业务的实际测算，三者的 IO 资源消耗占比为： 1:10:1。后台的 SST 文件 Compaction 占了绝大部分 IO 带宽，通过将 Compaction 任务集中化管理，从计算池卸载到存储池，进一步减少了用户计算节点的 CPU 和 IO 资源消耗。

5）GaussDB(for Mongo) 只读节点设计

• 传统社区版 MongoDB 副本集基于 Oplog 做数据复制，只读节点需要镜像主节点的所有写 IO 操作。GaussDB(for Mongo) 的只读节点和主节点共享同一份底层数据库文件 (LSMTree 的 SST 文件)，只读节点并不自己生成 SST 文件。
• 随着业务数据的写入，Compaction 的不断执行，LSMTree 的当前版本 (包含哪些 SST 文件) 不断更新，LSMTree 的元数据更新 (增删 SST 文件的记录) 被同步到只读节点执行。
• RocksDB 中，数据的变更被持久化到 WAL 里，元数据的变更 (增删文件的操作, 叫做 VersionEdit) 被持久化到 Mainifest 里。RocksDB 的数据和元数据是分开的，WAL 流和 VersionEdit 流是并行的，没有严格的先后顺序。为了保证只读节点和主节点完全一致的事件回放顺序，WAL 和 VersionEdit 流必须要合并成一个流，在双流合并后，通过 LSN 就可以为每个事件 (WAL 的写操作 /VersionEdit) 定序。

• 基于 WAL+VersionEdit 复制，而不基于 Oplog 复制
• 共享文件 (sst/wal) 的生命周期管理由主节点负责 sst 文件和 wal 的文件的生命周期由主节点负责。RocksDB 中，SST 文件通过层级的引用计数来维持不被删除。如下图，RocksDB 的每个游标会维持 SuperVersion，如下图中的 S0，S1，S2。每个 SuperVersion 会引用一个 Version，一个 Version 代表 LSMTree 在不断变形 (通过增删 SST 文件变形) 的过程中，某个时间点的形状，最新的 Version 就代表 LSMTree 当前的形状。

• 在 GaussDB(for Mongo) 中，主节点会记录所有只读节点在使用的 Version，并为这些 Version 增加引用计数从而维持 SST 文件的生命周期。对于 WAL，主节点会记录所有只读节点中最老的 LSN(oldestLsn)，最老的 LSN 来自于复制最慢的只读节点。并删除比 oldestLsn 还旧的 WAL 文件。
• 元数据变更通知，无论是 oldestLsn 还是只读节点的当前在用的活跃的 Version，都需要及时推进，这些元数据的变更是通过主从节点的定期心跳上报到主节点上的。主节点利用心跳数据对垃圾版本与 WAL 做清理。如下图所示，在经历一次心跳后，主节点发现 Secondary0 的 Version0 和 Secondary1 的 Version0 不再使用。删除这两个 Version 后，SST0 的引用计数为 0，表示 SST0 可以被删除。OldestLsn 也从 100 推进到了 250，可以清理掉 250 之前的 WAL。

• 只读节点的 memtable 的释放：主节点的 Memtable 不会实时 Flush 为 SST 文件。如果只读节点不处理主节点的 Memtable 的话，只读节点的数据就不是实时的，且存在数据一致性问题。只读节点通过回放 WAL 到内存的 Memtable 中，来覆盖 SST 文件与主节点的 Memtable 的 Gap。上文介绍了只读节点是不往共享存储写入数据的， 所以只读节点上的 Memtable 最后的结局一定是被丢弃掉。但什么时候丢弃这个 Memtable 就是一个问题。过早的丢弃，会造成 SST 文件与 Memtable 之间的数据不连续，存在 Gap，过晚的丢弃会造成内存的浪费。只有当只读节点识别到 SST 的数据已经完全能够 Cover 某个 Memtable 时，这个 Memtable 才可以被丢弃。
• GaussDB(for Mongo) 的只读节点在每次应用 VersionEdit 后，检查所有 SST 中的最大的 LSN 与 Memtable 的最小的 LSN 的关系，来决定是否要丢弃某个 Memtable。
• 内存元数据的反向更新：传统的复制，数据流从 Oplog 来，走一遍完整的数据库 Server 层 CRUD 接口，再落到引擎层。这种逻辑和主节点上业务的写入逻辑是一致的，因此 Server 层的一些内存元数据结构，在这个过程中就自然而然的得到更新了。但是当采用基于 WAL 的复制后，整个 WritePath 并不经过只读节点的 Server 层。因此 Server 层的内存元数据更新，就是一个很大的挑战。在这里，只读节点对每一条 WAL 做分析，如果 WAL 的内容会影响 Mongo 内存元数据，就会 reload 对应的元数据模块。

3. 总结

GaussDB(for Mongo) 基于 Share-Storage 架构，实现秒级 Chunk 分裂与均衡，对业务影响更小，水平扩展速度更快，能容忍更多节点宕机。只读节点功能，实现了一份数据多计算节点共用的功能。极大的提升了存储的利用效率，提高了计算节点的读取数据能力。为了让副本节点具有持续的读扩展能力，整个只读方案采用元数据的同步模式，在不降低主节点负载的情况下，极大的提升了整个系统的读数据的处理能力。为 3 节点，5 节点，乃至于 15 节点以上的副本集的工作提供了可能。