阿里自研分布式強一致關(guān)系型數(shù)據(jù)庫——XDB,阿里分析型數(shù)據(jù)庫

阿里自研分布式強一致關(guān)系型數(shù)據(jù)庫——XDB

0寫在前面

今年雙 11 是 XDB 的第一次大考，本次雙 11XDB 服務(wù)于天貓 / 淘寶核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)、核心 IM 系統(tǒng)，經(jīng)受了零點業(yè)務(wù) 32.5 萬筆 / 秒峰值的性能考驗（對應(yīng)數(shù)據(jù)庫峰值每秒破億次的 SQL 調(diào)用）；同時 XDB 支撐起了新一代單元化架構(gòu)，在分布式一致性算法 Paxos 的統(tǒng)一框架下，第一次提供了跨 Region 分布式強一致能力，實現(xiàn)高效的跨 Region 數(shù)據(jù)同步、跨 Region 容災(zāi)，保證金融級的數(shù)據(jù)質(zhì)量服務(wù)。

XDB 為了降低用戶的遷移和學(xué)習(xí)成本，選擇了兼容成熟的 MySQL 生態(tài)，并且做到了真正 100% 兼容 MySQL 生態(tài)，為業(yè)務(wù)，為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫賦能?；?MySQL 的業(yè)務(wù)可以無縫從 MySQL 遷移到 XDB 上來，不需要任何評估和兼容測試，完全零成本遷移?；?MySQL 的周邊工具平臺，甚至是 MySQL DBA 都可以非常平滑的轉(zhuǎn)移到 XDB 上來。阿里內(nèi)部從今年 6 月初第一個業(yè)務(wù)應(yīng)用灰度切流，到目前為止 5 個月的時間里，XDB 已覆蓋了阿里集團及多個關(guān)聯(lián)公司旗下的多個事業(yè)群，為海量的線上業(yè)務(wù)提供服務(wù)，整個過程絕大部分業(yè)務(wù)都是無感知的。

XDB 擁有真正的跨 Region/ 跨國的數(shù)據(jù)強一致能力，并已得到實踐的檢驗。雙 11 前夕，核心物流系統(tǒng)、核心 IM 系統(tǒng)首次完成了中心 Region 所有數(shù)據(jù)庫不可用的“中心城市容災(zāi)演練”，驗證業(yè)務(wù)擁有在整個中心 Region 均不可用情況下，XDB 和應(yīng)用仍可以正常提供服務(wù)的能力，并保證數(shù)據(jù)零丟失。

1XDB 的核心優(yōu)勢和技術(shù)解析

XDB 是阿里自研的全球級分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)在業(yè)界各種類型的分布式數(shù)據(jù)庫不斷涌現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)巨頭、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫廠商、數(shù)據(jù)庫創(chuàng)業(yè)公司都在不斷跟進。那么 XDB 到底有什么優(yōu)勢能戰(zhàn)勝這些競品，快速獲得業(yè)務(wù)價值呢

1. XDB 生態(tài) 100% 兼容 MySQL

新一代分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是對傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的傳承和革新。分布式數(shù)據(jù)庫雖然在高可能、強一致、高性能、低成本、高伸縮等多個方面作出了劃時代的變革；但其依舊傳承了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫強大的 SQL 接口，系統(tǒng)管理能力。NoSQL 的衰弱和 NewSQL 的興起，恰恰證明了這一點。一個新的分布式數(shù)據(jù)庫，如果沒有傳承，自建一個新的生態(tài)，將會極大的提高用戶的學(xué)習(xí)和使用成本，整個工具和支持配套也將面臨很大的困難。因此，XDB 作為一個新一代分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，設(shè)計之初就選了業(yè)界相對開放和成熟的 MySQL 開源生態(tài)作為自己的基礎(chǔ)。這樣不單可以讓 MySQL 生態(tài)中的用戶零成本的切換到 XDB 中，快速賦予業(yè)務(wù)分布式數(shù)據(jù)庫所帶來的多種能力；同時可以讓 MySQL 生態(tài)中的各種周邊工具和 DBA 等生態(tài)的參與者平滑的切換到分布式時代，賦予其支撐分布式數(shù)據(jù)庫的能力。

事實證明 XDB 選擇的這條路是正確的。在阿里集團及生態(tài)下的子公司內(nèi)部，XDB 在短短的幾個月內(nèi)、在非常少的人力參與下，迅速的完成了對大量傳統(tǒng) MySQL/AliSQL 集群的換代升級，使得阿里數(shù)據(jù)庫整體進入了分布式時代，整個過程業(yè)務(wù)幾乎零參與。同時 XDB 對 MySQL 生態(tài)下的運維系統(tǒng) / 工具、知識體系也實現(xiàn)了兼容，整個 MySQL 時代的支撐平臺，支撐人員都可以平滑的過度到分布式數(shù)據(jù)庫時代，擁有了支撐下一代數(shù)據(jù)庫的能力，這個是非常難得的。

2. 跨 Region/ 全球強同步能力

業(yè)界支持分布式強一致的數(shù)據(jù)庫很多，但是其強一致都是有范圍的，有些支持 AZ 內(nèi)強一致，有些支持跨 AZ 強一致，真正能做到跨 Region/ 跨國強一致的卻是鳳毛麟角。目前業(yè)界主流數(shù)據(jù)庫中，只有 Spanner 宣稱自己是 Global Distribution，包括 Amazon Aurora 在內(nèi)的其他主流數(shù)據(jù)庫目前都不支持跨 Region 的強一致。XDB 是真正做到了跨 Region/ 跨國強一致的分布式數(shù)據(jù)庫，并且在業(yè)務(wù)上得到了驗證。今年音視頻服務(wù)全站遷移 XDB，同時 XDB 支撐了音視頻服務(wù)國際化等多個國際化項目，實現(xiàn)跨國部署。包括核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)、核心 IM 系統(tǒng)在內(nèi)的大量業(yè)務(wù)集群以跨 Region 強同步模式部署，使得業(yè)務(wù)擁有了城市級容災(zāi)情況下，數(shù)據(jù)零丟失，服務(wù)秒級恢復(fù)的能力。核心物流系統(tǒng)、核心 IM 系統(tǒng)在雙 11 前夕分別進行了中心 Region 全不可用的容災(zāi)演練，XDB 在 15 秒內(nèi)自動完成跨 Region 的重新激活，數(shù)據(jù)零丟失，這在整個行業(yè)都是先行者。

技術(shù)解析：XPaxos——高性能 Paxos 獨立庫

Paxos 是一種分布式一致性算法，其最基礎(chǔ)也是最重要的功能是保證分布式系統(tǒng)中多個節(jié)點的數(shù)據(jù)（日志）的強一致，它是分布式系統(tǒng)的基石。雖然 Paxos 算法被圖靈獎獲得者 Leslie Lamport 首次提出到現(xiàn)在已經(jīng) 19 年了，離第一個工業(yè)實現(xiàn)（Chubby）也已經(jīng) 11 年了，但是近幾年，頂級會議 / 業(yè)內(nèi)文章中 Paxos 的優(yōu)化和討論還是非常的多，而且到目前為止真正工業(yè)級的、高性能的、高可擴展的 Paxos 算法庫還是非常的少見。

XPaoxs 是阿里獨立設(shè)計 / 研發(fā)的，真正工業(yè)級的 Paxos 獨立庫，其在性能上好于業(yè)界對手 1、2 個數(shù)量級以上，同時其強大的擴展性和完善的生態(tài)系統(tǒng)都是競品所沒有的，XPaxos 為分布式高性能數(shù)據(jù)庫 XDB 奠定了堅實的基礎(chǔ)。

XPaxos 從基礎(chǔ)架構(gòu)，到網(wǎng)絡(luò)模型，再到算法本身都有大量的創(chuàng)新：

基于 SEDA 架構(gòu)的異步并發(fā)調(diào)度框架

由于 Paxos 的內(nèi)部狀態(tài)復(fù)雜，實現(xiàn)高效的單實例多線程的 Paxos 變成一個非常大的挑戰(zhàn)。大部分競品例如 Oracle/MySQL 的 Group Replication 等針對單個 Paxos 對象都是單線程實現(xiàn)。

XPaxos 實現(xiàn)了一整套高效的異步并發(fā)調(diào)度框架，并基于 SEDA（Staged EventDriven Architecture）思想，對整個 Paxos 協(xié)議進行了并發(fā)切分和實現(xiàn)，采用了大量無鎖設(shè)計；由異步并發(fā)調(diào)度框架進行調(diào)度和執(zhí)行，充分利用多核資源，實現(xiàn)高性能。

基于 Batching  Pipelining 的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

跨 Region/ 跨國場景下對 XPaxos 來說最大的挑戰(zhàn)就是如何在高延遲網(wǎng)絡(luò)下保持高吞吐和相對低延遲，XPaxos 針對高延遲網(wǎng)絡(luò)做了大量的協(xié)議優(yōu)化嘗試和測試，并結(jié)合學(xué)術(shù)界現(xiàn)有的理論成果通過合理的 Batching 和 Pipelining，設(shè)計并實現(xiàn)了一整套自適應(yīng)的針對高延遲高吞吐和低延遲高吞吐網(wǎng)絡(luò)的通信模式，極大的提升了 XPaxos 的性能。類似的優(yōu)化大部分還在理論階段，在同類競品中還非常的罕見。

Jepsen/TLA+ 的分布式原理 / 實現(xiàn)驗證

《Paxos made live》中有過一個說法，證明一個 Paxos 實現(xiàn)是正確的，比實現(xiàn)這個 Paxos 本身會更難。因此我們在設(shè)計和實現(xiàn) XPaxos 的時候，投入了大量的精力在 Paxos 的原理證明了實現(xiàn)驗證上。我們用 TLA+ 對 XPaxos 進行建模，驗證其理論正確性。我們將 Jepsen 對 XPaxos/XDB 進行適配，同時增加了大量的驗證 Case 和注入錯誤，7X24 小時運行，驗證其實現(xiàn)正確性。

3. 強一致下的高性能

業(yè)界習(xí)慣性的認為，強一致一定會帶來性能的下降，開強 MP 的 Oracle，在 SemiSync 的 MySQL，MySQL Group Replication 甚至于跨 Region 部署以后的 Spanner，會面臨大幅度的性能下降的問題。今年雙 11 XDB 在核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)等交易核心鏈路上 100% 切流，經(jīng)歷了多輪全鏈路壓測和雙 11 零點業(yè)務(wù) 32.5 萬筆 / 秒，數(shù)據(jù)庫 SQL 上億次 / 秒的峰值的性能考驗，證明了 XDB 完全有能力實現(xiàn)強一致和高性能的魚熊兼得。

XDB 從 Paxos 協(xié)議的實現(xiàn)，到 XPaxos 和 AliSQL 的日志結(jié)合，再到 AliSQL 本身的提交邏輯，鎖策略都做了大量的優(yōu)化。保證 XDB 無論是在多機房部署還是多 Region 部署下，都能保證性能和單節(jié)點模式（非強一致）下無大幅度劣化。特別是在跨 Region 部署時，和其他分布式數(shù)據(jù)庫相比，優(yōu)勢尤為明顯。這也是業(yè)務(wù)能夠接受 XDB 跨 Region 部署的主要原因。

XDB 是 AliSQL 和 XPaxos 的緊密結(jié)合而產(chǎn)生的。高性能的 XPaxos 為不單為 XDB 帶來了高可用和強一致的能力，同時為 XDB 的在強一致下的高可用奠定了堅實的基礎(chǔ)。除此以外，我們在 AliSQL 和 XPaxos 的結(jié)合上也做了大量的優(yōu)化，例如一體化日志設(shè)計和異步事務(wù)提交。

技術(shù)解析：一體化日志設(shè)計

XDB 的 Consensus 日志采用了單一事務(wù)日志的方案（區(qū)別于 MySQL 的 binlog 和 relaylog 兩份日志），單一事務(wù)日志格式 MySQL binlog 的事務(wù)日志格式。這份日志被用于集群節(jié)點間數(shù)據(jù)的同步以及下游應(yīng)用的消費。

一體化日志設(shè)計帶來的好處是顯而易見的，首先是日志量的減少。MySQL 接收到主庫的網(wǎng)絡(luò)消息后會先本地落一份 relaylog 日志，在消費后再產(chǎn)生一份 binlog 日志。雖然 relaylog 會很快被回收，但是日志的寫入量是實實在在的兩份。反觀 XDB 在統(tǒng)一了日志后，同一個事務(wù)在一個實例節(jié)點上只需要記錄一份日志。其次統(tǒng)一日志能夠讓日志真正按照產(chǎn)生的先后續(xù)做到邏輯和物理上的一致，這對于日志的檢索效率來說是大有裨益的。首先是順序掃描日志的時候可以做到物理 IO 上的順序性，其次 Paxos 算法的運轉(zhuǎn)對于日志的檢索和獲取都有較高的要求，如果檢索一份日志需要先后掃描兩份日志跳轉(zhuǎn)來判斷比較，那對于效率來說是非常低下的。

技術(shù)解析：異步事務(wù)提交

在數(shù)據(jù)庫中，服務(wù)端的線程池是非常有效降低線程上下文切換開銷，提升系統(tǒng)吞吐的技術(shù)。但是在跨城 / 跨國環(huán)境下，巨大的網(wǎng)絡(luò)延遲使得線程池本身會成為一種瓶頸。例如 XDB 集群的節(jié)點分布在網(wǎng)絡(luò) RTT 達到幾十毫秒級別的兩個 Region 中，那么在實際的運行中會發(fā)現(xiàn)線程池中絕大部份線程都在等待日志跨 Region 同步回包，而客戶端的請求就沒有足夠的線程去處理了，這其實造成了服務(wù)器資源的嚴重浪費。

重新回到非線程池的狀態(tài)不是一個明智之舉，既要低上下文開銷又要有高資源利用率。我們采取的解決方案是將事務(wù)處理中可能最為費時的等待事務(wù)日志回報做成異步化。 這樣就把一個完整的事務(wù)流程拆成了：處理請求 等待同步 事務(wù)提交的三個步驟，三個步驟可以分別由線程池的不同線程來完成。每個步驟 XDB 可以精確控制并發(fā)量，例如可以用最少的線程數(shù)量來處理事務(wù)等待日志同步的工作，用大量的線程來處理事務(wù)提交等等。在異步化改造后，只要用戶的并發(fā)請求量足夠多，系統(tǒng)吞吐量上可以有明顯的提高。

4. 豐富靈活的部署模式

針對電商雙 11 這種，不同時期不同需求的業(yè)務(wù)模型，XDB 提供了非常豐富并且靈活的部署模式，例如核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)，在今年雙 11 前夕，將部署模式從跨城強同步模式一鍵切換回同城強同步模式，并動態(tài)調(diào)整拓撲，在保證機房級強一致的前提下，有效的降低了 RT，提升了吞吐。

集團內(nèi)外不同的業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)庫的部署需求各不相同，為了更廣泛的支持不同的業(yè)務(wù) XDB 支持的部署模式非常的靈活。業(yè)務(wù)可以根據(jù)自己的容災(zāi)和業(yè)務(wù)需求，在不同的部署范圍內(nèi)（同城多機房 / 國內(nèi)多 Region/ 跨國等）選擇任意數(shù)量、任意角色的節(jié)點進行部署，節(jié)點的部署和角色同樣可以在線修改以適應(yīng)業(yè)務(wù)的不同時期的不同需求，例如雙 11。這樣說有點抽象，這里舉 2 個實際的案例.

案例：同城跨機房模式

上圖是一個經(jīng)典的同城跨機房強同步方案，滿足以下需求

機房級容災(zāi)數(shù)據(jù)零丟失，10 秒級容災(zāi)切換

相對于主備方案零成本增加（2 數(shù)據(jù)副本，1 日志副本，日志副本資源需求可忽略）

RPO  1S（通過 XPaxos SDK 持續(xù)備份）

當(dāng)然業(yè)務(wù)可以在這個模式的基礎(chǔ)上做多種擴展，例如增加只讀無選舉權(quán)的 learner 節(jié)點；增加有選舉權(quán)的 follower 節(jié)點等來提升容災(zāi)等級和讀能力。

案例：跨城單元化模式

上圖是一個經(jīng)典的跨城強同步方案，滿足以下需求

真正的跨城強一致能力：任意城市整體不可用不影響集群可用性，零數(shù)據(jù)丟失

高性能：在跨城強同步下依然保持高性能

靈活的切換策略：可分別設(shè)置同城節(jié)點，跨城節(jié)點切換優(yōu)先級

高伸縮能力：可任意增加 / 刪除 / 動態(tài)修改任意 Region 的數(shù)量和角色

目前核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)、核心 IM 系統(tǒng)等核心集群均采用類似部署方案保證跨城容災(zāi)能力。

更重要的是 XDB 支持動態(tài)切換部署模式，例如核心交易系統(tǒng)、核心物流系統(tǒng)等集群在雙 11 期間一鍵動態(tài)將跨城模式切換到同城模式，在保持機房級容災(zāi)能力的前提下，獲得更高的性能；音視頻服務(wù)通過在海外 Region 動態(tài)擴展一個 Leaner 角色的節(jié)點實現(xiàn)國際化。

大促模式

擴展讀 Region

技術(shù)解析：Paxos 框架下的角色定制和動態(tài)變更

在分布式數(shù)據(jù)庫中經(jīng)典的 Paxos 用法是將 Paxos 作為一個整體來解決高可用和強一致問題。然而 Paxos 算法不單單能解決高可用強一致問題。在 XPaxos 中我們對 Paxos 算法進行了擴展，將 Paxos 算法中節(jié)點的三個角色（Proposer/Accepter/Learner）進行了剝離和重組，形成了多種不同角色的節(jié)點，這些節(jié)點組合后，可以形成多種適合不同業(yè)務(wù)的部署模式，同時 XPaxos 設(shè)計了一整套動態(tài) Configure Change 算法支持所有部署模式之間的動態(tài)切換，對業(yè)務(wù)非常友好。

2XDB 的演進

XDB 1.0 是整個 XDB 的計劃的一部分，整個 XDB 計劃將按照三步進行

XDB 1.0(XCluster): 集成 XPaxos，實現(xiàn)金融級分布式強一致能力、一體化的架構(gòu)設(shè)計以及統(tǒng)一的生態(tài)環(huán)境。

XDB 2.0: 基于自研高性能低成本存儲引擎 XEngine，與分布式存儲結(jié)合打造的計算與存儲分離架構(gòu)，能獨立擴展計算和存儲的能力，為業(yè)務(wù)在不同場景的負載下，提供靈活的伸縮能力。同時得益于全新設(shè)計的存儲引擎，能夠提供其他同類產(chǎn)品難以匹敵的性能。

XDB 3.0: 新一代分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，同時支持了數(shù)據(jù)自動分片負載均衡，多點可讀可寫，跨域強同步，AZ 內(nèi)快速擴充計算節(jié)點的計算存儲分離架構(gòu)，應(yīng)用了一系列技術(shù)：為充分發(fā)揮硬件性能的軟硬件結(jié)合技術(shù)以及根據(jù)數(shù)據(jù)冷熱特點的分層混合存儲技術(shù)，無論上是在擴展性和高可用性，還是成本和性能上都做到極致，是 XDB 計劃數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)演進的最終形態(tài)。

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