分布式数据库高可用方案对比与分析

HashData 2022-09-22

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高可用是数据库系统的基本需求，也是数据库技术实现的难点之一。

高可用不仅要求数据库在正常的场景下不间断的提供稳定服务，而且需要能够在出现故障的情况下快速恢复并迅速提供服务，使用户难以感知到异常，保证业务的连续性。

作为一款云原生分布式数据仓库，HashData在传统架构的MPP数据库基础上，对存储层、计算层、元数据等多方面进行了改进和优化，进一步提升系统的可用性。相比传统MPP架构的数据库，HashData能够提供接近“零停机”的服务，大幅降低数据库运维成本。

数据高可用

传统架构的MPP数据库，计算和存储是紧耦合的，用户数据和元数据都存储在本地磁盘。

当系统出现故障时，传统架构的MPP数据库主要采用多个副本的方式，来保证系统的可用性。为确保数据库在异常运行过程中能及时从主节点切换到备节点，传统架构的MPP数据库会通过WAL replication的方式，将xlog从主节点复制到备用节点。

HashData云原生数据库采用“存算分离”的架构，架构上分为三个层次，依次是元数据服务层、计算层以及数据存储层，每层之间完全解耦。持久化数据由数据存储层提供，中间的计算层则实现了完全无状态化，并且能够独立地扩容，很大程度上解决了传统MPP架构的许多局限。

HashData的共享存储层采用对象存储技术，用于保存表数据、临时数据等各类用户数据和结果数据，供所有计算集群访问。借助对象存储，HashData可以提供近乎无限扩展能力，同时通过混合存储、压缩算法、Bucket等多种优化技术，实现共享存储IO能力隔离和流量控制，保证了数据的高效访问。

为提高访问性能，HashData在共享存储上，数据分片保存在不同的文件，供计算集群各节点并行访问。分片数量在元数据集群创建时设定，一般按照计算集群最大规模设定数据分片数量（2的幂次方），将每张表的数据按照Hash或random算法均匀分布到不同数据分片存储。

得益于存算分离的架构，HashData通过一致性哈希算法，将每个计算节点对应一个或多个数据分片，计算节点均匀存储（缓存）、计算对应数据分片，避免了数据重新逻辑分组和重新物理分布，可以实现集群的秒级自动扩缩容。

应用高可用

数据高可用并不意味着应用高可用，因为数据高可用只是确保数据不会丢失，但是能否对外提供数据库服务则是另一个问题。

传统架构的MPP数据库在运行时，通常会引入监控机制或者故障检测机制。当发现系统发生故障时，需要立即进行主从切换。

切换的方式一般有两种：一种是手动切换，需要DBA的参与，反应时间上无法得到保障。

另一个方案是自动切换，由程序去监控数据库的健康状态，在检测到故障之后，程序自动执行切换。

如上图所示，目前较为常见方式是在主节点和备节点之外建立 monitor 节点。当monitor 节点检测到 primary 发生故障后，就会把Secondary节点切换成主节点。

这样做的代价是，首先要确保 monitor 节点本身的高可用。其次，备节点切换成主节点后，部署该节点的机器上可能会有多个主节点在同时运行，对系统性能造成影响。

同时，新节点的数据恢复时间一般比较长，运维压力相对较大。另外，如果一个数据节点只有一个从/备节点，当发生主从/备切换后，该节点处于单点状态，不再具备高可用性。如若在发生故障后仍然要求系统保持高可用，还必须引入新的从/备节点。

与传统架构的MPP数据库相比，HashData云数仓可以物理主机部署或者云环境部署，无论是哪种部署方式，都可以实现故障自愈的高可用。

为解决数据同步的问题，HashData云数仓将数据存储在共享存储内，计算节点与数据块的对应关系可以实现动态调整，不涉及到数据的搬迁，也不存在备用节点，因而能够实现分钟级新节点恢复，整个过程不需要任何的人工干预。

面对企业与日俱增的数据应用和管理需求，HashData提供了管理组件Cloudmanager，通过对各类云平台资源的统一管理，整合数据库集群的监控、运维、管理等功能，建立统一的数字化管理运维平台，实现图形化、自动化操作，达到“所见即所得”的效果，极大地降低了数据仓库集群的运维管理成本。

不同于开源数据库监控管理工具，Cloudmanager 既可以提供数据库的基础管理监控，同时又能实现对数据库集群节点的弹性扩容、缩容，增强集群的计算能力与可用性。

元数据高可用

传统MPP架构数据库用户数据和元数据是紧耦合的，在增加数据节点进行扩容的同时，也复制一份了元数据。此时数据库系统有多份元数据需要同步，同步元数据也会增加系统开销和复杂性。

在使用过程中，随着数据量的增长，传统MPP架构数据库每个集群的数据都保存在计算节点本地磁盘，集群之间的数据无法做到有效共享，形成“数据孤岛”现象。同时，大量数据拷贝操作，造成数据严重冗余。

HashData元数据服务层是独立存储的，分成三个层次：调度层、无状态服务层和持久化存储层。

调度层主要解决两类问题。第一是帮助计算集群去找到元数据节点。调度层需要把元数据节点以及它的角色发布到ETCD ，然后计算集群通过订阅ETCD上这些角色位置的变更信息，它们可以自动地去找到更新的catalog，为不同的角色提供了不同的服务。

计算集群在计算的应用层来通过服务发现找到服务对象，尽可能地避免所有的节点去访问同一个catalog。

调度层还具有服务负载均衡的功能。调度层在 catalog 上会同时就一个角色注册多个入口，又可以允许计算机去通过 catalog 推送给调度层的负载情况，避免某些 catalog 出现热点。

元数据服务层为所有计算集群提供统一的元数据管理服务，保证多个计算集群面对统一的数据视图，进行一致性访问。同时，用户可以通过云管平台实现超大规模的元数据集群操作。

持久化存储层使用的是FoundationDB，这款由苹果公司开源的数据库，经过大规模的商用验证，具备高度可用性。其最有名的两个应用场景是支持iCloud云服务和Snowflake的元数据服务。

由于采用云原生架构，HashData云数仓多个集群共享统一的元数据、统一的数据存储，集群间不竞争CPU、内存和IO资源，可以根据业务需求无限地创建集群。为了提高并发数量，只需要增加计算集群，来满足弹性、高并发的要求，系统可用性显著增加，同时进一步降低性能开销。

（本文根据直播文字整理，点击“阅读原文”可观看直播视频回放）

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