一文看懂金融級分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計

原創(chuàng)
作者：張小海 2020-01-03 09:00:00

運維

數(shù)據(jù)庫運維

分布式 銀行業(yè)從最初的手工記賬到會計電算化，到金融電子化，再到現(xiàn)在的金融科技，可以看到金融與科技的結(jié)合越來越緊密，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)改變了金融的交易方式，為金融行業(yè)的創(chuàng)新前行提供了源源不斷的動力。同時互聯(lián)網(wǎng)金融的興起是一把雙刃劍，帶來了機(jī)遇的同時也帶來了挑戰(zhàn)。

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【51CTO.com原創(chuàng)稿件】行業(yè)背景

銀行業(yè)從最初的手工記賬到會計電算化，到金融電子化，再到現(xiàn)在的金融科技，可以看到金融與科技的結(jié)合越來越緊密，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)改變了金融的交易方式，為金融行業(yè)的創(chuàng)新前行提供了源源不斷的動力。同時互聯(lián)網(wǎng)金融的興起是一把雙刃劍，帶來了機(jī)遇的同時也帶來了挑戰(zhàn)。

普惠金融使得金融的門檻降低，更多的普通大眾參與到金融活動中，這讓金融信息系統(tǒng)承受了越來越大的壓力。于是我們可以看到大型商業(yè)銀行、保險公司、證券公司、交易所等核心交易系統(tǒng)都在紛紛進(jìn)行分布式改造，其中數(shù)據(jù)庫作為有狀態(tài)的應(yīng)用，成為了信息系統(tǒng)中唯一的單點，承擔(dān)了所有來自上層應(yīng)用的壓力。隨著數(shù)據(jù)庫瓶頸的凸顯，進(jìn)行分布式改造迫在眉睫。

數(shù)據(jù)庫分布式改造的途徑

數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分布式改造主要有三種途徑：分布式訪問客戶端、分布式訪問中間件、分布式數(shù)據(jù)庫。由于其分布式能力實現(xiàn)在不同的層次(應(yīng)用層、中間層、數(shù)據(jù)庫層)，對應(yīng)用程序有不同的侵入程度，其中分布式訪問客戶端對應(yīng)用侵入性最大，改造難度最大，而分布式數(shù)據(jù)庫方案對應(yīng)用侵入性最小，但是架構(gòu)設(shè)計及研發(fā)難度最大。

分布式數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)

其實當(dāng)前市面上的分布式數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)都是類似的，由必不可少的三個組件組成：接入節(jié)點、數(shù)據(jù)節(jié)點、全局事務(wù)管理器。總體架構(gòu)如下，接入節(jié)點負(fù)責(zé)sql解析，生成分布式執(zhí)行計劃，sql轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)匯總等;數(shù)據(jù)節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲與運算;全局事務(wù)管理器負(fù)責(zé)全局事務(wù)號的生成，保證事務(wù)的全局一致性。這個架構(gòu)或多或少都受到了Google Spanner F1論文的影響，這篇文章主要分析了這幾個組件在實現(xiàn)上有什么難點，該如何進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計。

兩階段提交的問題

我們知道兩階段提交是阻塞性協(xié)議，這也是它最大的問題。下圖以pgxc架構(gòu)下的兩階段提交為例，主要分為幾個階段：

①：CN prepare ->②：所有DN prepare ->③：CN commit->④：所有DN commit

試想一下如果在cn commit階段發(fā)生cn/dn宕機(jī)會發(fā)生什么?

如果在cn下發(fā)完cn commit命令后宕機(jī)，這時dn收到commit命令后會進(jìn)行提交，但是返回commit ok時發(fā)生cn宕機(jī)，事務(wù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。如果cn下發(fā)commit之后某個dn發(fā)生宕機(jī)，則會造成某些dn commit成功，某些dn commit失敗，造成不一致，但是如果dn重新啟動后會繼續(xù)去cn上拿事務(wù)提交信息，發(fā)現(xiàn)是commit狀態(tài)，則會繼續(xù)執(zhí)行commit操作，提交之前的事務(wù)。

在這個地方我們可以探討一個更極端的情況，如果此時cn也宕機(jī)了，那么失敗的dn重啟后去cn拿狀態(tài)發(fā)現(xiàn)拿不到，這時這個失敗dn上的事務(wù)就處于一個未決態(tài)，不知道是應(yīng)該提交還是回滾，這時候應(yīng)該有一個進(jìn)程能夠從其他dn上發(fā)現(xiàn)該狀態(tài)并報告給故障dn，通知它進(jìn)行提交。這個角色就是pgxc_clean進(jìn)程，其實之前幾種情況下的事務(wù)的回滾也是該進(jìn)程的工作。那我們再深入一下，如果該dn是事務(wù)的唯一參與者，那么此時pgxc_clean就無法從其他dn以及cn獲取狀態(tài)，這時該dn就是真正的未決態(tài)了。

為了解決兩階段提交的阻塞問題，出現(xiàn)了三階段提交，三階段提交在commit之前引入了cancommit的過程，同時加入超時機(jī)制。因為如果協(xié)調(diào)者發(fā)生宕機(jī)，參與者無法得知協(xié)調(diào)者到底發(fā)出的是commit還是abort，三階段提交cancommit過程就是告知參與者我發(fā)送的是commit或者abort命令，這時如果協(xié)調(diào)者發(fā)生失敗，參與者等待超時時間后可以選出新的協(xié)調(diào)者，而該協(xié)調(diào)者是知道應(yīng)該發(fā)出什么命令。

雖然三階段提交解決了阻塞問題，但是無法解決性能問題，分布式系統(tǒng)中為了保證事務(wù)一致性需要跟每個參與者通信，一個事務(wù)的提交和參與需要分布式系統(tǒng)中每個節(jié)點的參與，必然帶來延時，不過在萬兆、infiniband、roce高速網(wǎng)絡(luò)的支持下已經(jīng)不再是問題了。

CAP與BASE的抉擇

我們知道分布式系統(tǒng)無法戰(zhàn)勝CAP。那么在設(shè)計分布式系統(tǒng)的時候該如何進(jìn)行取舍?首先P(分區(qū)容錯性)是必須保證的，因為分布式系統(tǒng)必然是多個節(jié)點(分區(qū))通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，而網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，分布式系統(tǒng)是為了避免單點故障，如果因為網(wǎng)絡(luò)問題或者某些節(jié)點失敗造成整體系統(tǒng)不可用，那么也不符合分布式系統(tǒng)的設(shè)計初衷。如果保證A(可用性)，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)失敗時，網(wǎng)絡(luò)隔離的不同區(qū)域就要繼續(xù)提供服務(wù)，那么就會造成不同分區(qū)的數(shù)據(jù)不一致(腦裂);如果保證C(一致性)，那么網(wǎng)絡(luò)失敗時，就需要等待不同網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的節(jié)點同步完數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡(luò)一直失敗，那么系統(tǒng)就會因為無法同步而一直不可用。

2PC就是典型的犧牲可用性保證一致性的例子，而BASE(basically available，soft state，eventual consistency)就是犧牲一致性保證可用性的例子，因為做到實時的強(qiáng)一致要犧牲的代價太大了，它允許數(shù)據(jù)在某些時間窗口內(nèi)的不一致，通過記錄窗口內(nèi)的每一個臨時狀態(tài)日志做到在系統(tǒng)故障時，通過日志繼續(xù)完成未完成的工作或者取消已經(jīng)完成的工作回退到初始狀態(tài)，這種方式保證了最終一致性。BASE與傳統(tǒng)ACID理論其實是背離的，滿足BASE理論的事務(wù)也叫柔性事務(wù)，在遭遇失敗時需要有相應(yīng)的補償機(jī)制，與業(yè)務(wù)耦合性較高，其實我并不是很贊同BASE的做法，因為它已經(jīng)背離了數(shù)據(jù)庫最基本的設(shè)計理念。

raft的優(yōu)勢

不管是上面的XA還是BASE都無法徹底解決一致性問題，真正意義上的強(qiáng)一致一定是基于強(qiáng)一致協(xié)議的。paxos和raft是目前主流的兩種共識算法。Paxos誕生于學(xué)院派，是分布式環(huán)境下基于消息傳遞的共識算法，它設(shè)計之初是考慮一個通用的模型，并沒有過多的考慮實際的應(yīng)用，而且paxos考慮了多個節(jié)點同時寫入的情況，這就使得paxos的狀態(tài)機(jī)異常復(fù)雜，所以難以理解，不同的人可能理解出不同的意思，這一點一直遭人詬病，比如MGR引入write set的概念來處理多點寫入沖突的問題，這在高并發(fā)熱點數(shù)據(jù)的場景下是不可接受的。因為paxos的難以理解，斯坦福的兩名大學(xué)生設(shè)計了raft算法，相比來說，raft是工業(yè)派，同一時刻leader只有一個，follower通過日志復(fù)制實現(xiàn)一致性，相比paxos來說raft的狀態(tài)機(jī)更加簡單易懂，實現(xiàn)起來也更加簡單，因此在分布式環(huán)境上有著廣泛的應(yīng)用，例如TiDB、RadonDB、etcd、kubernetes等。

Raft協(xié)議將共識問題分解為三個子問題分別解決：leader選舉、日志復(fù)制、安全性。

Leader選舉：

服務(wù)器節(jié)點有三種狀態(tài)：領(lǐng)導(dǎo)者、跟隨者和候選者。正常情況下，系統(tǒng)中只有一個領(lǐng)導(dǎo)者，其他的節(jié)點全部都是跟隨者，領(lǐng)導(dǎo)者處理全部客戶端請求，跟隨者不會主動發(fā)送任何請求，只是簡單的響應(yīng)來自領(lǐng)導(dǎo)者或者候選者的請求。如果跟隨者接收不到消息(選舉超時)，那么他就會變成候選者并發(fā)起一次選舉。獲得集群中大多數(shù)選票的候選者將成為領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)導(dǎo)者一直都會是領(lǐng)導(dǎo)者直到自己宕機(jī)了。

Raft 算法把時間分割成任意長度的任期(term)，每一段任期從一次選舉開始，一個或者多個候選者嘗試成為領(lǐng)導(dǎo)者。如果一個候選者贏得選舉，然后他就在這個的任期內(nèi)充當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者。要開始一次選舉過程，跟隨者先要增加自己的當(dāng)前任期號并且轉(zhuǎn)換到候選者狀態(tài)，然后他會并行的向集群中的其他服務(wù)器節(jié)點發(fā)送請求投票的 RPCs 來給自己投票，候選者會繼續(xù)保持著當(dāng)前狀態(tài)直到以下三件事情之一發(fā)生：(a) 他贏得了這次的選舉，(b) 其他服務(wù)器成為領(lǐng)導(dǎo)者，(c) 沒有任何一個候選者贏得選舉。當(dāng)一個候選者獲得了集群大多數(shù)節(jié)點針對同一個任期號的選票，那么他就贏得了選舉并成為領(lǐng)導(dǎo)者。然后他會向其他的服務(wù)器發(fā)送心跳消息來建立自己的權(quán)威并且阻止新的領(lǐng)導(dǎo)人的產(chǎn)生。下圖為三種角色的轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)。

日志復(fù)制：

當(dāng)leader被選舉出來，他就作為服務(wù)器處理客戶端請求?？蛻舳说拿恳粋€請求都被看成復(fù)制狀態(tài)機(jī)所需要執(zhí)行的指令。領(lǐng)導(dǎo)者把這條指令作為一條新的日志條目附加到日志中去，然后并行的發(fā)起附加條目 RPCs 給其他的服務(wù)器，讓他們復(fù)制這條日志條目。當(dāng)這條日志條目被安全的復(fù)制，領(lǐng)導(dǎo)者會應(yīng)用這條日志條目到它的狀態(tài)機(jī)中然后把執(zhí)行的結(jié)果返回給客戶端。如果跟隨者崩潰或者網(wǎng)絡(luò)丟包，領(lǐng)導(dǎo)者會不斷的重復(fù)嘗試附加日志條目 RPCs (盡管已經(jīng)回復(fù)了客戶端)直到所有的跟隨者都最終存儲了所有的日志條目。下圖為復(fù)制狀態(tài)機(jī)模型。

安全性：

安全性指的是每臺復(fù)制狀態(tài)機(jī)都需要按照同樣的順序執(zhí)行相同的指令，以保證每臺服務(wù)器數(shù)據(jù)的一致性。假想一臺跟隨者在某段時間處于不可用狀態(tài)，后來可能被選為領(lǐng)導(dǎo)者，這時就會造成之前的日志被覆蓋。Raft算法通過在leader選舉時增加一些限制來避免這個問題，這一限制保證所有領(lǐng)導(dǎo)者對于給定的任期號，都擁有了之前任期的所有被提交的日志條目。日志條目只會從領(lǐng)導(dǎo)者傳給跟隨者，不會出現(xiàn)因為新領(lǐng)導(dǎo)者缺日志而需要跟隨者向領(lǐng)導(dǎo)者傳日志的情況，并且領(lǐng)導(dǎo)者從不會覆蓋本地日志中已經(jīng)存在的條目。Raft 算法使得在投票時投票者拒絕掉那些日志沒有自己新的投票請求，從而阻止該候選者贏得選票。

CN的設(shè)計

接入節(jié)點的設(shè)計可能看起來很簡單，但是里面有些地方內(nèi)容還是有些玄機(jī)的。設(shè)計cn需要重點考量的地方主要是cn到底是做重還是做輕。這是把雙刃劍，主要有下面兩方面問題。

1.如何做到sql語法兼容性?

接入節(jié)點主要負(fù)責(zé)sql的解析、執(zhí)行計劃的生成與下發(fā)，這些東西其實是sql解析器做的事情，我們可以直接將MySQL或者pg的解析器甚至server層拿過來做sql解析和執(zhí)行計劃生成，而且就天然的兼容了MySQL或者pg的語法。

2.如何處理元數(shù)據(jù)的問題?

上面的方案看似很完美的事情，但是有個問題：如果直接將MySQL或者pg的server層搬過來的話，元數(shù)據(jù)怎么辦?cn上到底放不放元數(shù)據(jù)?如果不放元數(shù)據(jù)，那么就需要一個統(tǒng)一的存放和管理元數(shù)據(jù)的地方，我在cn上建的表需要到某個固定地方更新元數(shù)據(jù)信息，查詢也是一樣。如果cn上存放元數(shù)據(jù)，那么元數(shù)據(jù)的更新就需要在各個cn之間進(jìn)行同步，如果發(fā)生某個cn宕機(jī)，則任何ddl操作都會hang住，這時就需要有一個機(jī)制：在cn超時無響應(yīng)后將cn剔除出集群。

DN的設(shè)計

數(shù)據(jù)節(jié)點的設(shè)計主要考慮下面幾個方面問題。

1.數(shù)據(jù)節(jié)點如何做高可用?

數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)當(dāng)然是最寶貴的，任何數(shù)據(jù)庫都要有數(shù)據(jù)冗余方案，數(shù)據(jù)節(jié)點一定要有高可用，在保證rpo=0的基礎(chǔ)上盡量縮短rto。細(xì)想一下，其實每個dn都是一個數(shù)據(jù)庫實例，這里以MySQL或者pg為例，MySQL和pg本身是有高可用方案的，不管是基于主從半同步還是流復(fù)制，都可以在dn層面作為數(shù)據(jù)的冗余和切換方案。當(dāng)然還有些數(shù)據(jù)庫在dn層面引入了paxos、raft、quorum等的強(qiáng)一致方案，這也是在分布式數(shù)據(jù)庫中很常見的設(shè)計。

2.如何做到在線擴(kuò)容?

在線擴(kuò)容是分布式數(shù)據(jù)庫的一項巨大優(yōu)點，而擴(kuò)容數(shù)據(jù)節(jié)點必然涉及到數(shù)據(jù)向新節(jié)點的遷移，目前市面上的分布式數(shù)據(jù)庫基本上都做到了自動的數(shù)據(jù)重分布。但是做到數(shù)據(jù)庫自動重分布還不夠，如何做到只遷移少部分?jǐn)?shù)據(jù)以降低服務(wù)器IO壓力成為關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)的散列方式是根據(jù)分區(qū)鍵哈希值對分區(qū)數(shù)量進(jìn)行取模操作，得到的結(jié)果就是數(shù)據(jù)應(yīng)該落入的分區(qū)，但是這種分布方法在增加刪除節(jié)點時會造成大量的數(shù)據(jù)重分布，而一致性哈希的核心思想是每個分區(qū)不再是對應(yīng)一個數(shù)字，而是對應(yīng)一個范圍，對計算的散列值進(jìn)行范圍的匹配，大體思路是將數(shù)據(jù)節(jié)點和鍵的hash值都映射到0~2^32的圓環(huán)上，然后從映射值的位置開始順時針查找，將數(shù)據(jù)保存到找到的第一個節(jié)點上。如果超過2^32仍然找不到服務(wù)節(jié)點，就會保存到第一個節(jié)點上。一致性哈希最大程度解決了數(shù)據(jù)重分布問題，但是可能會造成節(jié)點數(shù)據(jù)分布不均勻的問題，當(dāng)然針對這個問題還有一些改進(jìn)，比如增加虛擬節(jié)點。

GTM的設(shè)計

GTM顧名思義是一個全局概念，分布式數(shù)據(jù)庫本來就是為了可擴(kuò)展、提升性能、降低全局風(fēng)險，然而GTM這個東西打破了這一切。

1.為什么需要GTM?

簡單一句話總結(jié)就是：GTM是為了保證全局讀一致性，而兩階段提交是為了保證寫一致性。這里我們可能有個誤區(qū)，如果沒有GTM那么會不會造成數(shù)據(jù)不一致?會，但是只是某個時間點讀的不一致，這個不一致也是暫時的，但是不會造成數(shù)據(jù)寫的不一致，寫的一致性通過兩階段提交來保證。

我們知道postgresql通過快照(snapshot)來實現(xiàn)MVCC與事務(wù)可見性判斷。對于read commit隔離級別，要求每個事務(wù)中的查詢僅能看到在該事務(wù)啟動前已經(jīng)提交的更改，以及當(dāng)前事務(wù)中該查詢之前所做的更改，這都要通過快照來實現(xiàn)?？煺盏臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中會包含事務(wù)的xmin(插入tuple的事務(wù)號)、xmax(更新或者刪除事務(wù)的事務(wù)號)、正在運行的事務(wù)列表等相關(guān)信息。pg的每條元組(tuple)頭信息中也會記錄事務(wù)的xmin和xmax信息。Pg取得snapshot后會進(jìn)行事務(wù)可見性判斷，對于所有id小于xmin的tuple對當(dāng)前快照可見，同時id大于xmax的tuple對當(dāng)前事務(wù)可見。當(dāng)前擴(kuò)展到分布式集群后，每臺機(jī)器上都存在pg的實例，為了保證全局的讀一致性，需要一個全局的組件來負(fù)責(zé)snapshot的分配，使得快照信息在各個節(jié)點之間共享，這就是GTM的工作。

2.GTM高可用的問題?

GTM作為分配全局快照和事務(wù)id的唯一組件，只能有一個，當(dāng)然GTM可以做主備高可用，但是同一時刻只能有一個GTM在工作，gxid信息在主備之間進(jìn)行同步，這樣就造成一個問題，雖然其他節(jié)點都分布式了，但是GTM始終是一個單點，單點故障時就會涉及到切換，切換過程是影響全局的，而且為了保證切換后gxid信息不丟失，GTM之間必須做到gxid的同步。

針對高可用這塊問題，可以將GTM的事務(wù)號存儲信息剝離，將事務(wù)號信息存在第三方存儲中，例如etcd就是個很好的選擇，etcd是個強(qiáng)一致高可用的分布式存儲集群，etcd比較輕量，適合用來存儲事務(wù)號信息，同時它自身保證了高可用與強(qiáng)一致，這時GTM就不需要在主備之間同步gxid，如果發(fā)生主備切換，新主GTM只需要再去從etcd中取得最新事務(wù)號，寫事務(wù)號也同理，主GTM會向主etcd節(jié)點寫入事務(wù)號信息，通過etcd自身的raft復(fù)制協(xié)議保證一致性。這樣的設(shè)計使得GTM的壓力減輕很多。

3.GTM性能的問題?

GTM是大部分分布式數(shù)據(jù)庫的性能瓶頸，它使得一套集群的整體性能甚至不如一臺單機(jī)。也很好理解，任何一個事務(wù)開啟都要先通過cn到GTM取事務(wù)號和快照信息，然后結(jié)果解析后下發(fā)到dn執(zhí)行，然后cn進(jìn)行匯總再返回給應(yīng)用，路徑很明顯變長了，那么效率肯定變低，目前優(yōu)勢在于可以利用多臺機(jī)器的組合能力進(jìn)行計算，計算資源得到了擴(kuò)展。

針對GTM的瓶頸問題當(dāng)然也有解決方案，比如華為GaussDB就提出GTM-Free和GTM-Lite，gtm-free是在那種強(qiáng)一致讀要求不高的場景下關(guān)閉GTM的功能，所有事物都不走GTM，這種情況下性能基本能夠得到線性提升，該功能已經(jīng)實現(xiàn);gtm-lite是將事務(wù)分類，全局事務(wù)就走GTM，本地事務(wù)就直接下發(fā)，因為大多數(shù)情況下都是本地事務(wù)，所有性能提升也很明顯，該功能還在研發(fā)階段。

分布式數(shù)據(jù)庫如何實現(xiàn)PITR

數(shù)據(jù)庫的PITR一般都是通過一個基礎(chǔ)備份加上持續(xù)不間斷的wal歸檔來做到的，這個基礎(chǔ)備份可以是在線的，因為它并不需要數(shù)據(jù)庫當(dāng)時處于一致性狀態(tài)，一致性可以通過replay redo來實現(xiàn)，所以基礎(chǔ)備份可以是文件系統(tǒng)tar命令而不需要文件系統(tǒng)級別的快照。

PITR是通過基礎(chǔ)備份加上redo日志能夠恢復(fù)到任意時間點，這個任意時間點不同數(shù)據(jù)庫有不同定義，可能是某個lsn，可能是某個snapshot，可能是某個timestamp。Postgresql數(shù)據(jù)庫中能夠基于redo恢復(fù)到任意的timestamp。

分布式數(shù)據(jù)庫的PITR理論上和單機(jī)區(qū)別不大，每個節(jié)點備份自己的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)不需要一致性，但是要考慮到分布式事務(wù)的問題，在做基礎(chǔ)備份的時候必須保證之前的分布式事務(wù)(如果存在)已經(jīng)全部完成，因為分布式事務(wù)是走兩階段提交協(xié)議，2PC在提交階段不同的機(jī)器commit肯定有時間差，如果在這個時間差做了備份，會發(fā)現(xiàn)最后一臺機(jī)器有這個事務(wù)的redo，另一臺沒有，這樣恢復(fù)的話就會造成數(shù)據(jù)不一致。這個問題可以通過pg中一個barries的概念實現(xiàn)，在分布式事務(wù)結(jié)束后打一個barrier，獲得一致性點，然后再進(jìn)行基礎(chǔ)備份。對于redo的前滾來說，只需要將所有節(jié)點的redo前滾到一個一致性位點即可。

作者介紹：

張小海，就職于某大型商業(yè)銀行，目前主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理及新技術(shù)研究，PostgreSQL技術(shù)推廣者，個人公眾號：數(shù)據(jù)庫架構(gòu)之美。

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