数据库内核月报

数据库内核月报 - 2022 / 07

PolarDB Serverless之路 · 无感秒切

Author: 甄平

背景介绍

PolarDB的架构优势

PolarDB是阿里云自主研发的云原生关系型数据库,借助物理复制、RDMA高速网络和分布式存储等技术,实现了存储计算分离架构。相比开源的MySQL,新架构在快速弹性和高可用场景下为PolarDB带来了很多优势,并长期被客户认可:

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需求和挑战

目前PolarDB服务的客户涉及到了各行各业,既包括新兴的游戏、直播、在线教育,也包括传统的金融、保险。在和大量客户交流之后,以高可用为切入点,我们沉淀了一些新的需求。 其一,目前PolarDB的真实容灾时间大约是30s-60s。但是作为OLTP数据库系统,相比分析型业务,客户希望容灾耗时尽可能短,容灾过程最好对业务无感。其二,PolarDB支持计算节点快速升降配,但是会出现连接闪断和请求报错,因此我们还是会建议客户选择低峰期进行扩缩容。基于同样的原因,客户升级历史版本也会很谨慎,这给云服务商的托管和运维带来了一些困扰。此外,对于两种类型的客户:1. 写后读模型,对一致性和响应延迟读要求高;2. 写多读少。这两类客户倾向于直接用主节点处理所有的读写请求,简化业务逻辑。PolarDB基于容灾的考虑,至少依赖一个只读作为备节点。对于读扩展需求低的客户,闲置的备节点最好能带来额外的收益。

高可用技术演进

云数据库高可用的演进可以概括为以下几个阶段。传统主备模式的高可用采用Binlog复制,存在复制延迟的问题,典型的如DDL、大事务。PolarDB的高可用通过物理复制解决了延迟问题,通过共享存储提升了扩缩容能力,但依然会导致连接中断和事务回滚,传到到应用客户端就是大量请求报错。为了最大化的提升小版本升级、扩缩容、故障容灾等场景的实用价值,我们提出了无感秒切的技术,从故障探测、切换速度、切换体验几个方面对PolarDB进行了优化。我们认为该技术也是让PolarDB向Serverless演进的一个必要条件。

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无感秒切 · 核心技术

下面的内容会详细介绍PolarDB无感秒切特性的技术细节。该特性主要针对切换场景进行优化,包括计划内的切换如升降配、小版本升级,以及计划外的故障容灾。我们从三个方面,分别是故障探测、切换速度和切换体验,整合了多项技术,来解决客户的痛点:

Voting Disk Service

开启无感秒切功能后,PolarDB将启用全新的高可用系统Voting Disk Service(VDS)。首先介绍一下VDS的设计思路。PolarDB是一写多读的架构,一般情况下,分布式环境多个节点的选主需要依赖Paxos/Raft等一致性协议。我们发现,PolarDB共享存储的架构天然提供了中心化仲裁的能力,因此无需像RDS三节点那样依赖一致性协议执行复杂的多数派判定。我们仿照业界分布式锁的思路,在PolarStore存储一份特殊的数据块,实现一套基于租约的分布式锁机制。文件锁提供trylock接口用于续租,同一时刻只允许唯一的持有者。通过让多个计算节点竞争这个共享的文件锁,来执行节点的选举。这个方案我们称为Voting Disk Service,它有以下几点优势:

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具体来说,VDS通过以下几个模块实现自治的集群节点管理,故障检测和集群选主:

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正常情况下,主节点对外提供读写服务,并通过VDS Leader定期续租。当主节点故障时,备节点的VDS Follower在租约超期之后将加锁成功,升级成Leader,备升级为新的主节点。故障的老主节点恢复后,加锁失败,会自动降级为备节点。这样就完成了PolarDB的切换流程。在选主流程结束后,PCR会将新的拓扑信息广播给所有的VDS Observer,只读节点就自动感知到新上任的主节点,调整redo、binlog等复制链路。

全局预热系统

引入VDS后,PolarDB解决了故障探测和选主的难题,进一步地,我们希望备节点抢到VDS租约锁后,能快速完成切换,新引入了热备节点的角色。热备节点是一个弱化版的只读节点,同时也是一个更接近主节点、随时准备接班的灾备。相比普通的只读节点,它保留有限的读服务,预留更多的CPU、Memory资源去优化切换速度。全局预热系统是热备中最核心的模块,用于实时同步主库的元信息,将关键数据提前加载进内存,为未来潜在的升主加速,目前预热模块包括4个方面:Buffer Pool、Undo、Redo和Binlog。

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Buffer Pool预热会实时监控主库BP的lru链表,并将主库数据页信息发送给热备。热备会智能地选择最热的数据页,提前执行批量内存加载,最终可以缓解传统只读升主后,BP命中率大幅下降引发的性能抖动。Undo预热是对事务系统的预热。在升主过程中,PolarDB需要从Undo Page找出悬挂事务并进行回滚。传统的只读节点会服务分析类型的大查询,不会访问主库未提交的事务,因此在切换流程中存在Undo Page的IO等待。热备提前预热Undo Page,通过Runtime Apply回放到最新版本,减少事务系统的恢复时间。对于最新的Redo,热备和只读节点一样,会实时缓存在内存的Redo Hash中。另外,如果集群开启了Binlog,升主过程中,处于Prepare状态的InnoDB事务还依赖Binlog信息来做提交或回滚的决策。完整的读取和解析最后一个Binlog文件时常需要耗费数秒甚至数分钟的时间,热备节点通过后台线程异步地将最新的Binlog数据缓存在IO Cache中,并提前进行解析,可以彻底解决这个问题。

PolarDB支持热备节点和普通备节点的动态转换。在实践中,客户可以选择长期的开启一个热备节点,或者选择仅在变配、升降级过程中,短时间开启热备,以加速任务流的执行。PolarDB支持配置不同规格的主和只读,以节约成本,但是要求至少有一个同规格的只读作为灾备。我们推荐将这个节点配置为热备节点,热备也会自动开启VDS,作为Follower角色参与选主。

事务续传

PolarDB解决故障探测和切换时间的问题后,连接保持和事务续传功能进一步优化了切换体验。常规的切换、热升级会对应用程序服务造成影响,导致连接闪断、新建连接短暂失败、存量事务回滚等问题,增加了应用开发的复杂性和风险。目前PolarDB通过数据库代理Proxy支持连接保持的功能。Proxy在应用程序和PolarDB之间,扮演了连接桥接的角色,当数据库主备切换时,Proxy将新的后端连接(即Proxy和数据库节点的连接)桥接到原有的前端连接(即应用程序和Proxy的连接)上,同时恢复之前的会话状态,包括原来的系统变量、用户变量、字符集编码等信息。但是连接保持只能作用于空闲的连接,如果切换瞬间,当前的会话有正在执行的事务,一方面Proxy无法从PolarDB中找回原有事务的上下文,另一方面新主会将未提交的悬挂事务回滚,释放这些事务持有的行锁。因此在这种场景下,连接保持就会失效,而PolarDB最新推出的事务续传功能可以解决这一缺陷。事务续传,配合连接保持,可以实现对应用程序基本无感知的高可用切换。那么PolarDB是如何实现事务续传的呢?

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PolarDB是基于物理复制的架构,相比传统使用Binlog的逻辑复制,主库的事务在热备节点上可以完全一致的重建出来。以上图为例,假设应用程序完整的事务是begin-insert-update-commit,并开启事务续传,把innodb_trx_resume参数修改为ON。事务开始执行,Proxy在将语句转发给主节点的同时,会缓存最近执行的SQL语句。第一条insert请求在主节点执行成功后,PolarDB会自动维护最近一条语句的Savepoint,作为事务信息的一部分。之后,通过Session Tracker将当前的会话信息和事务信息返回给Proxy,Proxy会将这些数据临时保存在内部的缓存。其中会话信息用于连接保持,如字符集、用户变量;事务信息用于事务续传,包括trx_id、undo_no等信息。此外,在数据库层,事务信息会通过一个单独的RDMA链路,持续高效地同步到热备中。如果后端数据库开启了Binlog,我们还会将每个事务对应的本地Binlog缓存同步到热备,这条链路同样也是走RDMA。

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假设主节点突然出现故障,应用程序的update请求执行了一半。此时Proxy并不会马上把底层的报错透传给应用连接,而是将整个请求hold一段时间。热备选主之后,会通过Redo Log构建出所有的未提交事务,但并不立刻回滚,而是在一定的时间内异步等待。之后,Proxy探测到主备切换成功,会利用自身缓存的会话信息和事务信息,借助PolarDB的Attach Trx接口,桥接事务状态。PolarDB根据Proxy的信息,判断相关的事务信息是否有效,如果有效,就把事务信息绑定到这个连接上,并回滚到之前执行一半的语句(即上文的update)对应undo_no的Savepoint。当事务桥接成功后,Proxy就可以从语句缓存中,把最近一次未执行成功的update发送给新的主节点,重新执行。

从外部视角来看,整个主备切换过程中,应用程序只感知到一条update语句变成了慢SQL,但不会接收到连接报错或事务报错,后续应用层就不需要显式执行连接重连和事务重试,整个运行风险会简化很多。另外,阿里云官网PolarDB文档有一个事务续传功能的演示视频,更直观的展现了无感秒切的效果,参考链接

总结

无感秒切通过Voting Disk Service、热备预热、事务续传三大特性,解决了PolarDB故障探测、切换速度、切换体验的问题,对于弹性升降配的意义巨大。有了无感秒切,用户可以在任意时刻对集群进行升配,不需要担心连接/事务的中断对业务的影响,对于资源利用率和稳定性的提升非常重要,真正实现了云原生数据库的弹性承诺。目前PolarDB正在向多主架构以及三层解耦的Serverless架构演进,欢迎大家持续关注。