第二部分: 分布式数据

一个成功的技术,现实的优先级必须高于公关,你可以糊弄别人,但糊弄不了自然规律。

——罗杰斯委员会报告(1986)


在本书的第一部分中,我们讨论了数据系统的各个方面,但仅限于数据存储在单台机器上的情况。现在我们到了第二部分,进入更高的层次,并提出一个问题:如果多台机器参与数据的存储和检索,会发生什么?

你可能会出于各种各样的原因,希望将数据库分布到多台机器上:

可扩展性

如果你的数据量、读取负载、写入负载超出单台机器的处理能力,可以将负载分散到多台计算机上。

容错/高可用性

如果你的应用需要在单台机器(或多台机器,网络或整个数据中心)出现故障的情况下仍然能继续工作,则可使用多台机器,以提供冗余。一台故障时,另一台可以接管。

延迟

如果在世界各地都有用户,你也许会考虑在全球范围部署多个服务器,从而每个用户可以从地理上最近的数据中心获取服务,避免了等待网络数据包穿越半个世界。

扩展至更高的载荷

如果你需要的只是扩展至更高的载荷(load),最简单的方法就是购买更强大的机器(有时称为垂直扩展(vertical scaling)向上扩展(scale up))。许多处理器,内存和磁盘可以在同一个操作系统下相互连接,快速的相互连接允许任意处理器访问内存或磁盘的任意部分。在这种共享内存架构(shared-memory architecture)中,所有的组件都可以看作一台单独的机器。

i. 在大型机中,尽管任意处理器都可以访问内存的任意部分,但总有一些内存区域与一些处理器更接近(称为非均匀内存访问(nonuniform memory access, NUMA)【1】)。 为了有效利用这种架构特性,需要对处理进行细分,以便每个处理器主要访问临近的内存,这意味着即使表面上看起来只有一台机器在运行,分区(partitioning)仍然是必要的。

共享内存方法的问题在于,成本增长速度快于线性增长:一台有着双倍处理器数量,双倍内存大小,双倍磁盘容量的机器,通常成本会远远超过原来的两倍。而且可能因为存在瓶颈,并不足以处理双倍的载荷。

共享内存架构可以提供有限的容错能力,高端机器可以使用热插拔的组件(不关机更换磁盘,内存模块,甚至处理器)——但它必然囿于单个地理位置的桎梏。

另一种方法是共享磁盘架构(shared-disk architecture),它使用多台具有独立处理器和内存的机器,但将数据存储在机器之间共享的磁盘阵列上,这些磁盘通过快速网络连接ii。这种架构用于某些数据仓库,但竞争和锁定的开销限制了共享磁盘方法的可扩展性【2】。

ii. 网络附属存储(Network Attached Storage, NAS),或存储区网络(Storage Area Network, SAN)

无共享架构

相比之下,无共享架构(shared-nothing architecture)(有时称为水平扩展(horizontal scale)向外扩展(scale out))已经相当普及。在这种架构中,运行数据库软件的每台机器/虚拟机都称为节点(node)。每个节点只使用各自的处理器,内存和磁盘。节点之间的任何协调,都是在软件层面使用传统网络实现的。

无共享系统不需要使用特殊的硬件,所以你可以用任意机器——比如性价比最好的机器。你也许可以跨多个地理区域分布数据从而减少用户延迟,或者在损失一整个数据中心的情况下幸免于难。随着云端虚拟机部署的出现,即使是小公司,现在无需Google级别的运维,也可以实现异地分布式架构。

在这一部分里,我们将重点放在无共享架构上。它不见得是所有场景的最佳选择,但它是最需要你谨慎从事的架构。如果你的数据分布在多个节点上,你需要意识到这样一个分布式系统中约束和权衡 ——数据库并不能魔术般地把这些东西隐藏起来。

虽然分布式无共享架构有许多优点,但它通常也会给应用带来额外的复杂度,有时也会限制你可用数据模型的表达力。在某些情况下,一个简单的单线程程序可以比一个拥有超过100个CPU核的集群表现得更好【4】。另一方面,无共享系统可以非常强大。接下来的几章,将详细讨论分布式数据会带来的问题。

复制 vs 分区

数据分布在多个节点上有两种常见的方式:

复制(Replication)

​ 在几个不同的节点上保存数据的相同副本,可能放在不同的位置。 复制提供了冗余:如果一些节点不可用,剩余的节点仍然可以提供数据服务。 复制也有助于改善性能。 第五章将讨论复制。

分区 (Partitioning)

​ 将一个大型数据库拆分成较小的子集(称为分区(partitions)),从而不同的分区可以指派给不同的节点(node)(亦称分片(shard))。 第六章将讨论分区。

复制和分区是不同的机制,但它们经常同时使用。如图II-1所示。

图II-1 一个数据库切分为两个分区,每个分区都有两个副本

理解了这些概念,就可以开始讨论在分布式系统中需要做出的困难抉择。第七章将讨论事务(Transaction),这对于了解数据系统中可能出现的各种问题,以及我们可以做些什么很有帮助。第八章第九章将讨论分布式系统的根本局限性。

在本书的第三部分中,将讨论如何将多个(可能是分布式的)数据存储集成为一个更大的系统,以满足复杂的应用需求。 但首先,我们来聊聊分布式的数据。

索引

  1. 复制
  2. 分片
  3. 事务
  4. 分布式系统的麻烦
  5. 一致性与共识

参考文献

  1. Ulrich Drepper: “What Every Programmer Should Know About Memory,” akka‐dia.org, November 21, 2007.

  2. Ben Stopford: “Shared Nothing vs. Shared Disk Architectures: An Independent View,” benstopford.com, November 24, 2009.

  1. Michael Stonebraker: “The Case for Shared Nothing,” IEEE Database EngineeringBulletin, volume 9, number 1, pages 4–9, March 1986.
  2. Frank McSherry, Michael Isard, and Derek G. Murray: “Scalability! But at What COST?,” at 15th USENIX Workshop on Hot Topics in Operating Systems (HotOS),May 2015.

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第四章:编码与演化 设计数据密集型应用 第五章:复制

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