容器化RDS｜计算存储分离 or 本地存储？

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2018-03-05 熊中哲 沃趣科技

随着交流机会的增多（集中在金融行业，规模都在各自领域数一数二），发现大家对 Docker + Kubernetes 的接受程度超乎想象, 并极有兴趣将这套架构应用到 RDS 领域。数据库服务的需求可以简化为：

实现数据零丢失的前提下，提供可接受的服务能力。

因此存储架构的选型至关重要。到底是选择计算存储分离还是本地存储？

本文就这个问题，从以下几点展开：

回顾：计算存储分离, 本地存储优缺点
MySQL 基于本地存储实现数据零丢失
性能对比
基于 Docker + Kubernetes 的实现

来分享个人理解。

回顾：计算存储分离，本地存储优缺点

还是从计算存储分离说起。

计算存储分离

先说优点：

架构清晰
计算资源 / 存储资源独立扩展
提升实例密度，优化硬件利用率
简化实例切换流程：将有状态的数据下沉到存储层，Scheduler 调度时，无需感知计算节点的存储介质，只需调度到满足计算资源要求的 Node，数据库实例启动时，只需在分布式文件系统挂载 mapping volume 即可。可以显著的提高数据库实例的部署密度和计算资源利用率。

以 MySQL 为例
通用性更好，同时适用于 Oracle、MySQL，详见：《容器化RDS——计算存储分离架构下的"Split-Brain"》。

从部分用户的上下文来看，存在如下客观缺点：

引入分布式存储，架构复杂度加大。一旦涉及到分布式存储的问题，DBA 无法闭环解决。
分布式存储选型：

选择商用，有 Storage Verdor Lock In 风险。

选择开源，大多数用户（包括沃趣）都测试过 GlusterFS 和 Ceph，针对数据库（Sensitive Lantency）场景，性能完全无法接受。

本地存储

如果在意计算存储分离架构中提到的缺点，本地存储可以有效的打消类似顾虑，无需引入分布式存储，避免Storage Verdor Lock In 风险，所有问题都由DBA 闭环解决，但是，需要依赖数据库自有方案实现数据零丢失。

以 MySQL 为例

还会引入类似问题：

物理容量受限于单机容量；
调度更复杂，选定数据库实例的存储类型（比如 SSD）后，一旦该实例发生“failover”，只能调度到拥有 SSD 的物理节点，这导致调度器需要对物理节点“Physical Topology Aware”；
密度难提升，这是“Physical Topology Aware”的副作用；
因数据库的不同方案差异性较大，通用性无法保证。

接下来，进入正题，看一下 MySQL 基于本地存储如何实现数据库零丢失。

MySQL 基于本地存储数据零丢失

最常用的是基于 Replication 模型将数据复制到 MySQL Cluster 中所有成员。

MySQL Master-Slave Replication（类似 Oracle DataGuard）提供了基于 binlog 的数据库层的复制模型，在高并发压力下节点间同步数据速率最快，单位时间内的交易量受其他节点的影响极小，该架构可通过 vip 漂移的方式实现 “failover”。

MySQL Master-Slave Replication

但严格意义上来说，这是基于 binlog 的 Asynchronous Replication 模型，因此集群中所有成员存在数据不一致的可能，在“failover”时无法保证数据零丢失。

可见如果基于 Replication 模型，Synchronous Replication 是实现数据零丢失的前提。

传统的 Synchronous Replication 一般会采用两阶段提交或分布式锁，这会带来如下几个问题：

单位时间内事务能力（TPS）会跟集群成员数量成反比
增加集群成员会显著且无法预期的增加事务响应时间
增加了集群成员数据复制的冲突和死锁的可能性

针对以上问题 Galera Cluster 提出 Certification-based Replication 来解决传统 Synchronous Replication 中遇到的问题，实现如下：

Deferred Update Replication 延迟更新复制

这个流程图中，有几个细节需要分享：

将基于 binlog 改为基于 write-set，write-set 中包含修改的数据，Global Transaction ID（后面简称 GTID）和 Primary Key。

GTID 类似 45eec521-2f34-11e0-0800-2a36050b826b:94530586304

94530586304 为 64-bit 有符号整型，用来表示事务在序列中的位置
将传统的 Synchronous Replication 改为 Deferred Update Replication，并将整个过程大致分解成四个阶段，本地阶段、发送阶段、验证阶段和应用阶段，其中：

本地阶段：乐观执行，在事务 Commit 前，假设该 Transcation 在集群中复制时不会产生冲突。

发送阶段：优化同步时间窗口，除去全局排序并获取 GTID 为同步操作，冲突验证和事务应用都为异步，极大的优化了复制效率。

验证阶段：只有收到该事务的所有前置事务后（不能有 “hole”），该事务和所有未执行的前置事务才能并发验证，不然不能保证 Global Ordering，因此这里需要牺牲效率，引入一定的串行化。
需要等待事务 3

于是就有了 Galera Cluster 在 MySQL 分支中的实现 MariaDB Galera Cluster（简称 MGC）和 Percona Xtradb Cluster（简称 PXC）。

为避免“split-brain”问题，需要至少三节点组成集群，对计算资源和存储资源的容量要求至少增加2倍，会进一步降低资源的部署密度。

越来越多的用户也期望通过该方案实现跨 IDC 多活，那么需要在规划阶段想清楚：

IDC 和数据库节点的拓扑架构，以保证在 1 个 IDC 出问题的情况，集群可以持续提供服务。

首先 IDC（物理或逻辑）最少需要3个，再看看数据库节点数量分别为 3、4、5、6、7 的拓扑关系 :

3 数据库节点：
4 数据库节点：设置权重避免”split-brain” (⅙ + ⅙ ) + ⅓ + ⅓
5 数据库节点：
6 数据库节点：
7 数据库节点 : 可支持两种拓扑关系

同时，还有 MySQL Group Replication（简称 MGR）[1]，类似 Galera Cluster：

基于Corosync实现（Totem协议），插件式安装，MySQL 官方原生插件。
集群架构，支持多写（建议单写）
允许少数节点故障，同步延迟较小，保证强一致，数据零丢失
单位时间的交易量受 flow control 影响。

这里还需要提一下 Vitess：

该项目由 Youtube 开源，从文档看功能极为强大，高度产品化。
作为第二个存储类项目（第一个是 Rook，有意思是存储类而不是数据库类）加入 CNCF，目前还处于孵化阶段（incubation-level）。
笔者没有使用经验，也不知道国内有哪些用户，不做评论。

关于 MGR 和 Vitess 网上已有大量介绍，这里不再赘述。

性能对比

在数据零丢失的前提下，看看这几种架构在性能上的对比：

MGR 5.7.17 / PXC 5.7.14-26.17
MGR 5.7.17 / PXC 5.7.17-29.20 / MariaDB 10.2.5 RC
本地存储 / 计算存储分离

性能对比 1：MGR 5.7.17 / PXC 5.7.14-26.17

测试背景描述：

MGR 5.7.17 对比 PXC 5.7.14-26.17（基于 Galera 3实现）
负载模型：OLTP Read/Write (RW)
durability：sync_binlog=1，innodb_flush_log_at_trx_commit=1
non-durability：sync_binlog=0，innodb_flush_log_at_trx_commit=2

测试数据 :

来自于 MySQL 官方[2]

测试结果：

在设置 durability 的情况下，MGR 最大吞吐约是PXC 5.7.14-26.17（基于 Galera 3 实现）的3倍，优势明显。

以上数据来自于MySQL 官方，公平起见，再来看看 Percona 在相同负载模型下的测试数据。

性能对比 2：MGR 5.7.17 / PXC 5.7.17-29.20 / MariaDB 10.2.5 RC

测试背景描述：

增加了 MariaDB 参与对比
PXC 升级到 5.7.17-29.20，该版本改进了MySQL write-set 复制层性能[3]。
负载模型：依然使用 OLTP Read/Write (RW)
durability：sync_binlog=1
non-durability：sync_binlog=0

测试数据：

设置 durability，数据来自于 Percona[3]

设置 non-durability，数据来自于 Percona[3]

测试结果：

在负载模型相同的情况下（durability 和 non-durability）PXC 5.7.17-29.20 性能与 MGR 5.7.17 不分伯仲。如果使用 PXC，推荐使用 5.7.17-29.20 或以上版本。

性能对比3：本地存储 / 计算存储分离

为了对比本地存储和计算存储分离，专门使用 MGR + 本地存储架构和基于分布式存储的计算存储分离架构做性能对比。

测试结果：

在负载模型相同的情况下，前者比后者 OLTP 下降32.12%，Select 下降5.44%，Update 下降 24.18%，Insert 下降 58.18%，Delete 下降 11.44%。

详细内容可留意 @波多野同学和 @韩杰同学的测试报告，这里不再赘述。

基于 Docker + Kubernetes 的实现

Docker + Kubernetes + MGR / Galera Cluster

在 GitHub 上，可以看到基于 Docker + Kuberetes + PXC 的 demo[4]。需要说明的是，这仅仅是个玩具，离部署到生产环境还有极大差距。

我们已有计划实现满足生产环境的：

Docker + Kubernetes + PXC
Docker + Kubernetes + MGC
Docker + Kubernetes + MGR

并集成到 QFusion 来支持计算存储分离架构和本地存储架构混合部署，架构示意图如下：

目前原型验证阶段已通过，预计2018年Q2发布。

Docker + Kubernetes + Vitess

在 GitHub 上，同样可以看到基于 Docker + Kubernetes 的 demo[5]，有兴趣的同学可以玩一下。

性能只是选型需要考量的一部分，要使用到生产环境或者产品化，实际要考量的因素更多：

运维：部署、备份
弹性：计算存储扩容，集群扩容
高可用：比如 “failover” 的细微差别对业务的影响
容错：比如网络对集群的影响，尤其是在网络抖动或有明显延时的情况下
社区活跃度
……

以现有软硬件的开放程度，各种架构或者产品狭义上的“黑科技”并不多，常常看到的：『xxx 比 xxx 快 xxx 倍』严格来说应该是『xxx 比 xxx 在特定场景 xxx 下快 xxx 倍』。

并不存在“一枪毙命”的“Silver Bullet”，只是 Docker + Kubernetes 为混合部署带来可能。哪种更受青睐，拭目以待，用户会是最好的老师。

《人月神话》中提到“No Silver Bullet”，原意是用来论述软件工程领域的生产力问题。

由于软件的复杂性本质，使得真正的银弹并不存在，没有任何一项技术或方法可使软件工程的生产力在十年内提高十倍。

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