分布式存储研究——Aurora

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分布式存储研究计划的最后一篇论文，研读Amazon的Aurora数据库。其对应论文为：Amazon Aurora: Design Considerations for High Throughput Cloud-Native Relational Databases。论文发表于2017数据库顶会SIGMOD。键值对数据库，Amazon提出了Dynamo，而关系型数据库，Amazon推出了Aurora。

Introduction

随着数据库上云，传统数据库的业务IO瓶颈已经转化为数据库层和数据存储层之间的IO瓶颈，在这种情况下，外部存储节点、磁盘和网络路径对于响应时间有很大的影响。另外，一些同步操作会导致数据库延迟和环境切换。还有，事务提交也会很大程度上影响性能，尤其是2阶段提交等复杂操作。

相对应的，Aurora有以下优点：

  • 使用了一个独立的，能容忍错误并自我修复的跨数据中心存储服务，保证了数据库不受网络层或数据存储层问题的影响。
  • 在数据存储中，只写入redo log记录，可以从量级上减少网络IOPS。
  • 将耗时复杂的功能从一次昂贵的操作转变为连续的异步操作，保证这些操作不会影响前台处理。

Durability at Scale

为了保障大规模集群下的耐久性，Aurora主要有两项措施：使用一个仲裁模型（quorum model）以及分段存储。

仲裁模型，我们已经比较熟悉了，对于V个副本的数据，R + W > V即可保证一致性。在之前的Dynamo论文中也有提到。一个典型的取值是(V,R,W)=(3,2,2)。但Aurora认为这还不够。一个简单的例子是，将数据的三个副本分别放在三个可用区（AWS的AZ概念，在同一个地区相邻的三个数据节点），如果同时一个可用区发生了大规模故障，而另一个可用区里的一台服务器发生了偶然故障，那么仲裁模型将不再有效。

为了保障(a)即便整个可用区加一台其它可用区服务器发生故障，系统不会丢失数据，以及(b)一整个可用区故障后仍能进行写数据，Aurora的参数设置为(V,R,W)=(6,3,4)，每个可用区会有两个数据副本。可以看到(a)情况下，3个副本发生故障，不影响读操作，数据不丢失。而(b)情况下，2个副本故障，不会影响写操作。

Segmented Storage

故障恢复有两个概念：MTTF（Mean Time to Failure，平均故障发生时间）和MTTR（Meat Time to Repair，平均故障修复时间）。如果希望系统能够抵御故障，那么需要MTTF > MTTR，在故障修复期中尽可能没有新的故障发生。MTTF很难优化，Aurora专注于降低MTTR，策略也很直观：将数据分段为10GB的Segment，每份会在3个可用区中有一共6个副本，数据存储在带有SSD的EC2上（亚马逊的虚拟服务器）。那么Segment就是系统探测失效和修复的最小单元。10GB的分段数据在10Gbps的网络连接上只需要10s就能传输完毕，在这个窗口内1个可用区失效，外加另外可用区中两个副本同时失效的概率非常非常低。

Operational Advantages of Resilience

由于整个Aurora的设计针对故障保证了高可用性，那么利用这个高可用性也可以做很多运维操作。例如回滚一次错误的部署；标记过热的节点为已损坏，由系统重新将其数据分配到冷节点中去；以及停止节点为其打上系统和安全补丁。其中，打补丁时，会一个个可用区依次进行，同一时间一份数据只会有一个副本所在节点进行打补丁操作。

The Log is The Database

The Burden of Amplified Writes

Aurora在提供了强大的高可用性背后，实际放大了整个数据库读写的操作。例如一个MySQL的写操作需要写4次，在写的过程中，实际上分为了很多类的数据，包括redo log、binaray log（会被同步归档在S3中来支持实时restore）、修改的数据页、临时的double-write以及FRM元数据。所有数据都会在节点间传播和写入数据库。被放大了的网络负载如图：

原MySQL负载

Offloading Redo Processing to Storage

为了解决上述的问题，在Aurora中，在网络中传播的写数据只有redo log。在将log传递到数据存储层后，再在后台或按需生成数据库的页。因此也才有了标题“The log is the database”。优化后的网络负载如图：

Aurora优化负载

经过实验对比，这项优化达成了其同一时间处理的事务量提高到了35倍，优化前每个事务处理的I/O数量是优化后的7.7倍，以及更多数据上的性能提高。性能的提高也意味着系统可用性的升级，降低了故障恢复时间。

Storage Service Design Points

Aurora的一项核心设计理念，就是把大部分的存储操作放到后台，精简前台的处理以缩短响应时间。分离前后台的做法让整个系统更加灵活。例如在CPU忙于处理前台请求的时候，就可以暂时不用管旧页面的垃圾回收。后台处理与前台处理呈现负相关的关系，互相削峰填谷。一个更加细致的存储节点交互如图：

Aurora存储节点

  1. 接收到日志记录，并填入一个内存队列。
  2. 在磁盘上将记录持久化，并返回一个应答。
  3. 整理记录，并检查是否有因为一些操作丢失导致的记录差异。
  4. 通过Gossip和其它节点交流填补差距。
  5. 将日志记录合并到新的数据页中去。
  6. 定期将日志和新页面备份到S3。
  7. 定期进行垃圾回收，清理掉无用的旧版本数据。
  8. 定期进行CRC校验。

其中只有第1第2步涉及前台交互，影响响应时间。

The Log Marches Forward

这节的标题起的很有意思，内容主要讲的就是Aurora如何在不使用复杂的2PC协议的情况下进行多个状态（durable，runtime，replica）的数据同步。

Solution Sketch: Asynchronous Processing

Aurora的一个设计亮点就是redo log的日志流处理。这个log不单单是一个顺序队列，实际上会和一个单调递增的序列号（LSN，Log Sequence Number）相关联。每个节点都有可能丢失几个操作，此时它会和与它存储同一份数据的节点进行Gossip交流，填补缺失。这样正常的读操作（没有发生故障恢复）就可以只读一个分片，避免仲裁读取的方法（在之后会有更详细的解释）。

而当需要进行故障恢复时，Aurora首先会保证所有节点上的数据一致。使用的就是LSN。在数据恢复时，系统先确定一个保证可用的最高LSN，称为VCL（Volume Complete LSN），任何LSN高于VCL的日志记录会被截断。数据库还可以进一步规定只有某些LSN能够被作为截断点，称之为CPL（Consistency Point LSNs），而定义VDL（Volume Durable LSN）为小于等于VCL的最大CPL。术语有些多，给一个简单的例子：当前日志的LSN已经达到了1007，但数据库定义CPL为900，1000，1100这些特定值。那么我们就需要在1000这个值进行截断，1000即为VDL。实际过程中的大致流程如下：

  1. 每个数据库层事务被切分成多个有序且可被原子操作的小事务（mini-transactions，MTRs）
  2. 每个MTR由多个连续的log record组成。
  3. 一个MTR的最后一个log record被认为是一个CPL。

从这段描述可以看出，一个CPL其实就是一个原子MTR的结束标志。

Normal Operation

接下来详细介绍一下每种操作的具体原理。包括write，read，commit和replica。

  • Writes：当数据库收到一批log日志的write quorum的确认后，就会向前推进当前的VDL。在每一时刻，会有很多事务在同时进行，数据库会为每个日志分配一个唯一有序的LSN，同时LSN要小于当前VDL和LAL（LSN Allocation Lmit）的和。这段话翻译有些生硬，其实就是为了防止前台操作太快，后台存储系统处理不过来，LSN不能超前VDL太多，其差值最大为LAL，目前设置为10M。同时，为了解决每个分片可能存在的日志丢失问题，每个日志都有一个向前的回链（像是一个反向链表），通过向前回溯，以及Gossip交互，可以为各个节点构建一个完整的日志记录，称之为SCL（Segement Complete LSN），也即所有日志到达了所有节点的最大LSN。
  • Commits：Aurora的事务提交是完全异步的。工作线程收到commit请求，在一个等待commit的事务列表中记录它的commit LSN，然后就继续处理其它请求。有一个专门的线程在VDL推进时，判断列表中有哪些LSN小于等于VDL，然后将这些事务的应答推回给还在等待的客户端。
  • Reads：Aurora和很多其它数据库一样，数据页会放在缓存中，命中丢失时才会做一次IO请求，当缓存满时，系统会根据特定的算法汰换数据页。Aurora不一样的是，它要求在缓存中的page LSN一定要大于等于VDL。从而保证在这个数据页中所有请求都已经写到log，且可以通过VDL始终获取到最新的持久化数据。也因此，正常的读取只需要读一个满足条件的分片就足够了。
  • Replicas：在Aurora中，一个存储磁盘可以挂载一个writer和最多15个read副本。增加一个read副本不会对性能有什么影响。为了加快响应，写请求生成的日志流也会被发送到所有读副本中去。如果这个写请求涉及到当前缓存中的某个数据页，那就把这个请求更新到数据页中，否则就直接丢弃了。这里读副本消费请求是异步的，需要遵循两条规则：一是会更新到数据页的请求，其LSN需要小于等于VDL。二是mini-transaction的修改需要原子性的写入缓存，以保障数据一致性。

Recovery

传统的数据库Recovery会使用类似ARIES的协议，根据WAL（write-ahead log），使得故障恢复后的各个节点数据一致。这种方法的一个原则是在数据库故障离线期间，通过重放日志的方式来恢复数据。而Aurora则将重放的过程放到了数据存储节点，完全后台话操作。即使故障发生时正在处理100K TPS，也能在10秒内恢复。

当然，在故障恢复后，系统还需要重新构建它的运行时状态（runtime state）。此时的读取就需要进行quorum读，来保障数据一致性。同时进行VDL的计算，截断之后的record。数据库也需要对一些操作做回滚，但这些操作都可以在后台进行。

Putting It All Together

整个Aurora的鸟试图如下：

Aurora框架鸟视图

其中数据库引擎就是社区版的MySQL/InnoDB。做的最主要的改变就是InnoDB向磁盘读写数据的方式。

在社区版InnoDB中，写操作会将数据写入缓存页，相关的redo log record以LSN的顺序写到WAL的缓存中。在事务提交中，WAL协议只要求redo log records持久化写到磁盘中，实际修改的缓存页通过double-write技术最终写到磁盘上。除了IO子系统，InnoDB还有事务子系统，lock manager，B+树的实现以及MTR。MTR实际就是对一些InnoDB内原子操作的建模，例如B+树的split和merge。

在Aurora中，每个MTR需要进行的redo log records会被组织成批量操作，在所有存储对应数据的分片中共享。这些批量操作会被写到存储服务，最后的一个log record被标记为一致性point。Aurora的读副本会接收到写请求的信息，来支持快照功能。数据库引擎负责了并发控制，而存储服务提供了一个逻辑上与你使用InnoDB写本地存储一致的数据。

在实际部署中，Aurora会在同一个region的不同AZ中分布实例，每个实例中会使用RDS来作为Host Manager，监控集群健康，判断是否需要关闭或一个实例需要被替代。为保障安全，Aurora集群会通过VPC限制互相沟通，其处于三个层次的VPC中：Custom VPC、RDS VPC、Storage VPC。存储服务由一系列EC2承载，如之前所述，至少3个AZ，每个AZ两台EC2。存储管理层会使用DynamoDB来存储集群和节点配置，卷的元数据，及向S3存储数据的详细描述。同时存储管理层会使用Amazon Simple Workflow Service来维持高可用和自动化运维。存储服务的关键点都会有持续监控。

Performance Results

产品上线前，Aurora经过了一系列对比测试。测试结果在原文中罗列，这里不再详细列出。

在实验室测试中，有如下几点结论：

  1. Aurora可以进行通过扩展实例类型线性扩展其吞吐量。
  2. Aurora即使在大数据量的情况下，其读写吞吐量也明显优于MySQL。
  3. 随着客户端连接的增加，Aurora可以线性扩展其吞吐量。
  4. Aurora相比于MySQL，写延迟非常低（降低几个数量级）
  5. 在热行争用（hot row contention）的场景下，Aurora的性能也明显由于MySQL。

在真实客户场景下Aurora的性能也得到了很好的证实。

Lessons Learned

  • Multi-tenancy and Database Consolidation：许多客户的服务会面临多租户的场景，他们原有的应用不容易拆分，那么简单的方法就是为每个租户维持一张表，并把所有租户的表放到数据库中去。这和类似于Salesforce使用多租户数据结构，并把所有用户数据封装到一个表里的行为不一样。这种场景下，需要考虑以下几个方面，Aurora都非常适合：
  1. 能够维持高并发
  2. 能够按用量动态调整数据库大小
  3. 能够尽量控制多租户数据之间的互相影响。
  • High Concurrent Auto-scaling Workloads：Aurora可以很好地处理访问尖峰问题。
  • Schema Evolution：在使用数据库时，开发人员可以很轻松地改变schema，而DBA就需要处理这些schema演化（实际上我没有类似的经历，不能很好地想象这种场景）。Aurora提供了两种机制：
  1. 对各个版本的schema历史做记录，在解析时按需使用对应的schema。
  2. 使用写时修改为最新Schema的机制，对每个独立的页进行“懒”升级。
  • Availability and Software Upgrades：线上应用基本不能接受数据库的停机升级。Aurora发布了一种零停机滚动升级的方式。具体来说，这个机制先找到一台不再处理事务的实例，将程序的临时状态存储到本地，为数据库打补丁，然后重新加载应用状态。

另一个我觉得解读地很好的博客：Amazon Aurora解读

Six Questions

这个技术出现的背景、初衷和要达到什么样的目标或是要解决什么样的问题。

Amazon已经有了DynamoDB这个强大的NoSQL数据库，与之相对应的是一个在线事务处理（On-line Transaction Processing）的关系型数据库Aurora。它的出现源于Amazon的一个观点：在云端大规模集群中，传统的OLTP数据库已经不能保证可用性和持久性。Aurora将传统数据库中的存储和计算分离，在这种分离架构下，关系型数据库的主要瓶颈已经从数据处理和存储的转为了网络传输。因此Aurora的许多设计和优化都是针对此而来：构建一个简单的框架来解决大型数据库中的网络传输瓶颈。

这个技术的优势和劣势分别是什么，或者说，这个技术的trade-off是什么。

Aurora的优势在于，它改变了传统关系型数据库的读写框架，使其适用于弹性伸缩的云端，获得了可用性和持久性，同时降低了网络传输，使得整个系统响应低延时。上云之后，还有更多的优点，例如按需伸缩，多租户共享基础设施降低成本，故障能够快速恢复等。为此它继承了社区版MySQL的一些弱点，比如不能执行复杂的查询，单点写，写水平扩展需要依赖其它中间件方案。同时目前最大支持64TB的数据量。

这个技术使用的场景。

Aurora适用于部署在云端弹性伸缩，读多写少，要求高并发低延时高可用性，处理事务的关系型数据库场景。

技术的组成部分和关键点。

Aurora本质上是将社区版的MySQL进行了重新架构，将计算和存储分离。其关键的组成部分是经过修改的“Aurora MySQL”，配合使用AWS RDS进行元数据管理，并将数据存储到底层的磁盘和S3等存储服务中。

技术的底层原理和关键实现。

Aurora的底层引擎依旧是社区版MySQL，其做的最主要的改进是剥离计算和存储，简化网络传输，在网络传输中只传递redo log。另外就是使用Quorum模型来保证高可用，使用分段存储来保证快速地从故障中恢复。

已有的实现和它之间的对比。

论文本身没有Related Work。根据之前推荐的博客，其一个比较对象就是Google的MySQL数据库Spanner：

比较项 Spanner Aurora
架构 Shared Nothing Shared Disk
弹性 Yes Yes
持续可用 Paxos-based Quorum-based
写扩展 Yes No
分库分表透明 Yes No
分布式事务 Yes No
MySQL/Postgres兼容 No Yes