大話Oracle集群,分布式數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈

【何曉陽專欄】大話Oracle集群，分布式數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈原創(chuàng)47天前區(qū)塊鏈已經(jīng)從社會的邊緣產(chǎn)品，變得被越來越多的人所熟悉和接受，并逐漸成為一種新趨勢和未來。在這個過程中，區(qū)塊鏈技術(shù)也取得了日新月異的發(fā)展，智能合約、共識機制、分片以及跨鏈等新概念，正在不斷刷新著我們的認(rèn)知。作為一個在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域奮斗10余年的老兵來看，區(qū)塊鏈的本質(zhì)其實是一個多活的分布式數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈中的很多技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫的漫長演進(jìn)過程中也曾得到很多的應(yīng)用和實踐，為了能更好的理解區(qū)塊鏈，我概述了從2000年開始這十幾年主流系統(tǒng)架構(gòu)的演變。我們將分成3個階段來闡述：第一階段，Oracle集群時代在這個時代中，如果想去選擇一個可以支撐每秒幾萬筆業(yè)務(wù)的成熟數(shù)據(jù)庫方案。工程師一定會推薦Oracle。而這個時期系統(tǒng)的主要架構(gòu)如下：2001年，對Oracle公司來說是一個特殊的年份，在這一年Oracle發(fā)布了甲骨文數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的經(jīng)典版本Oracle9i。在這個版本的產(chǎn)品中，Oracle極大的增強了集群服務(wù)能力(RealApplicationCluster，RAC)，促使Oracle完成了在生產(chǎn)環(huán)境中，從一個單一主機節(jié)點向多節(jié)點的轉(zhuǎn)換的過程。RAC技術(shù)有效的解決了以往數(shù)據(jù)庫單節(jié)點運行的瓶頸，提升了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的并發(fā)負(fù)載能力和高可用性，滿足了企業(yè)發(fā)展過程中，管理指數(shù)級數(shù)據(jù)增長的迫切需求。因此這個方案，被廣泛應(yīng)用到了政府、運營商、銀行、證券等各個領(lǐng)域，當(dāng)然也包括阿里巴巴和京東等互聯(lián)網(wǎng)巨頭企業(yè)。隨著版本的升級，Oracle10G的集群節(jié)點能力理論峰值擴充到了100多個。但是因為部署設(shè)備（小型機和存儲）昂貴等原因，不可能有企業(yè)可以完成這個量級的部署。從我所了解的數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)一些企業(yè)在實際的業(yè)務(wù)中，應(yīng)用了6-8個節(jié)點的集群。盡管應(yīng)用廣泛，但是隨著國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，Oracle集群的一些問題也逐漸暴露出來，這也促使了后來國內(nèi)轟轟烈烈「去IOEJ運動的產(chǎn)生。第一個問題：架構(gòu)所需要的軟硬件（IOE）價格昂貴在圖1的架構(gòu)圖中可以看到，為了保證事務(wù)的一致性，Oracle采用的是在多節(jié)點間共享存儲的方式，也就是說最終的數(shù)據(jù)在磁盤上只存儲一份，數(shù)據(jù)可以被多個節(jié)點讀寫，Oracle利用行鎖等技術(shù)解決讀寫爭用問題，并保障每個交易請求提交或回滾的一致性。應(yīng)用層主機通過OracleNetServices路由到不同的數(shù)據(jù)庫節(jié)點中，提交數(shù)據(jù)庫交易請求后，數(shù)據(jù)庫節(jié)點會定時將交易數(shù)據(jù)寫入共享的磁盤陣列中。我們知道IO請求在計算機請求中是非常緩慢的，這樣的架構(gòu)設(shè)計，更加突出了IO讀寫的性能瓶頸。企業(yè)的應(yīng)對辦法則是購買性能更好，更昂貴的磁盤陣列，提升IO性能，這也導(dǎo)致了IOE架構(gòu)在很長一段時間內(nèi)占據(jù)著國內(nèi)IT采購的主流地位。第二個問題：擴展能力有限，增加節(jié)點的性能收益并非線性增強正如上面提到的，因為受限于IO請求的性能瓶頸。各個節(jié)點的交易數(shù)據(jù)發(fā)起IO請求將數(shù)據(jù)寫入磁盤會有一定的間隔。而這個過程中，實時交易信息則是由IPC協(xié)議在各個節(jié)點間傳輸內(nèi)存數(shù)據(jù)來同步的。這時我們需要一個高速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，一般是由千兆網(wǎng)卡來完成。但是，隨著節(jié)點的不斷越多，需要同步的交易數(shù)據(jù)就會越多，網(wǎng)絡(luò)爭用和行鎖爭用也會變得越來越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致擴展節(jié)點的性能收益并非線性增強。第二個階段：分布式數(shù)據(jù)庫時代隨著淘寶業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，2010年時，淘寶已經(jīng)成為Oracle中國的頂級的客戶了。為了降低IT成本同時滿足業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展需求，也鑒于在開源社區(qū)長期的技術(shù)積累驅(qū)動。2010年時，由淘寶技術(shù)團(tuán)隊開啟了轟轟烈烈的「去IOE」運動，目標(biāo)是用分布式的開源數(shù)據(jù)庫架構(gòu)替代傳統(tǒng)的OracleDB架構(gòu)。淘寶「去IOE」的成功，有效的驗證了分布式數(shù)據(jù)庫在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中的負(fù)載能力，這也促使后續(xù)國內(nèi)IT架構(gòu)選型思路的轉(zhuǎn)變，以及分布式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)的演進(jìn)。分布式的數(shù)據(jù)庫方案有非常多種，目前在各個互聯(lián)網(wǎng)公司應(yīng)用的也比較普遍，其本質(zhì)就是將數(shù)據(jù)拆分存儲到不同的節(jié)點上，從而緩解單節(jié)點讀寫的壓力，比如按奇偶拆分?jǐn)?shù)據(jù)就是一個簡單的分布式系統(tǒng)，示意圖如下：

當(dāng)我們將數(shù)據(jù)拆分成分布式數(shù)據(jù)庫之后，就不得不考慮，分布式帶來的三個特性之間的權(quán)衡，正如CAP所描述的：CConystent，谷個節(jié)點數(shù)據(jù)始終備遂性AAvailable,在可容忍的時間內(nèi),交易請求有淄結(jié)果PPartitiontolerant,單個分區(qū)宕網(wǎng),系狗燃可使用系統(tǒng)架構(gòu)師需要根據(jù)業(yè)務(wù)，用各種變通的手法優(yōu)化CAP的三個特性，讓系統(tǒng)最終體現(xiàn)的效果可以與業(yè)務(wù)需求的預(yù)期一致。

目前看到的一些主流分布式方案，對這3個特性都有不同程度的選擇。我們在運營上一個創(chuàng)業(yè)項目OneAPM時，為了解決處理用戶訪問軌跡而產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的問題，曾綜合使用過Kafka、Zookeeper、Clickhouse等架構(gòu)來滿足業(yè)務(wù)需求，架構(gòu)圖如下：第三個階段：區(qū)塊鏈時代從數(shù)據(jù)庫技術(shù)的角度來看，區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一個特定架構(gòu)的多活分布式數(shù)據(jù)庫。分布式數(shù)據(jù)庫利用Paxos、RAFT等算法來保障數(shù)據(jù)庫多副本的強一致性，而區(qū)塊鏈?zhǔn)怯霉沧R算法來解決各個節(jié)點間數(shù)據(jù)一致性的問題。

POW、POS、DPOS等各類共識算法其本質(zhì)都是在競爭將由哪個節(jié)點擁有寫入?yún)^(qū)塊（賬本數(shù)據(jù)）的權(quán)力。在區(qū)塊鏈的經(jīng)濟(jì)模型的設(shè)計中，對寫入?yún)^(qū)塊的行為進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)激勵，極大的鼓舞了區(qū)塊鏈生態(tài)的發(fā)展。但也正是因為每個節(jié)點都有可能擁有寫入?yún)^(qū)塊的權(quán)力，為了保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性，必須與系統(tǒng)的響應(yīng)時間之間做出權(quán)衡。所以我們看到比特幣的TPS是每秒7比業(yè)務(wù)，以太坊的TPS也只有每秒幾十筆業(yè)務(wù)。分布式數(shù)據(jù)庫中的CAP問題，依然是區(qū)塊鏈需要挑戰(zhàn)的技術(shù)難題。當(dāng)然，目前隨著分片，閃電網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的出現(xiàn)，交易性能的瓶頸再被不斷的優(yōu)化。此外，從產(chǎn)品的功能上來看，目前的區(qū)塊鏈技術(shù)主要提供的交易記賬的能力，并不能支撐數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)能力「增刪改查」，所以以功能而言，目前的區(qū)塊鏈本質(zhì)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)棧的特殊子集。在區(qū)塊鏈上，擴充對文件和數(shù)據(jù)增刪改查的能力是DAPP生態(tài)發(fā)展的關(guān)鍵能力?？v觀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)演進(jìn)的這3個時代，技術(shù)發(fā)展的浪潮無法阻擋，我們唯一可以做的只有學(xué)習(xí)和面對。正如分布式數(shù)據(jù)庫最終替代了傳統(tǒng)O