《大规模分布式存储系统》第7章 分布式数据库【7.2】

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7.2　Microsoft SQL Azure
Microsoft SQL Azure是微软的云关系型数据库，后端存储又称为云SQL
  m, l6 h: b: gServer（Cloud SQL Server）。它构建在SQL Server之上，通过分布式技术提升传统关
系型数据库的可扩展性和容错能力。
  |. f/ w6 P$ T) T7.2.1　数据模型
* N7 A5 v- ?& }6 S! N1.逻辑模型
云SQL Server将数据划分为多个分区，通过限制事务只能在一个分区执行来规避
分布式事务。另外，它通过主备复制（Primary-Copy）协议将数据复制到多个副本，
保证高可用性。
5 @# P0 J+ n* O" Z" G云SQL Server中一个逻辑数据库称为一个表格组（table group），它既可以是有
/ D% c( f! k, ]% i4 A( E. i4 |主键的，也可以是无主键的，本节只讨论有主键的表格组。如果一个表格组是有主
/ F8 d1 m2 \4 }$ f键的，要求表格组中所有的表格都有一个相同的列，称为划分主键（partitioning
# S3 t& S, {% F$ o4 D) d4 |key）。图中的表格组包含两个表格，顾客表（Customers）和订单表（Orders），划
分主键为顾客ID（Customers表中的Id列）。如图7-2所示。
5 E$ d) V" V8 O, l图　7-2　云SQL Server数据模型
划分主键不需要是表格组中每个表格的唯一主键。图7-2中，顾客ID是顾客表的
5 O4 A3 p% N  D唯一主键，但不是订单表的唯一主键。同样，划分主键也不需要是每个表格的聚集
* ?0 k, u8 t* G! a" k, H2 v) p索引，订单表的聚集索引为组合主键＜顾客ID，订单ID＞（＜Id,Oid＞）。
表格组中所有划分主键相同的行集合称为行组（row group）。顾客表的第一行
以及订单表的前两行的划分主键均为34，构成一个行组。云SQL Server只支持同一个
" N# u3 z3 Y( q' Q- i4 z" k行组内的事务，这就意味着，同一个行组的数据逻辑上会分布到一台服务器。
$ q, T# r3 O% J( {$ e# a4 V如果表格组是有主键的，云SQL Server支持自动地水平拆分表格组并分散到整个
集群。同一个行组总是被一台物理的SQL Server服务，从而避免了分布式事务。这样
的好处是避免了分布式事务的两个问题：阻塞及性能，当然，也限制了用户的使用
* F% r, p4 }2 f* m, v/ ^# |5 F模式。
只读事务可以跨多个行组，但事务隔离级别最多支持读取已提交（read-
6 a/ Z% y3 Q9 `committed）。
2.物理模型
在物理层面，每个有主键的表格组根据划分主键列有序地分成多个数据分区
% d$ @5 q' m. T0 u7 s& S# ~+ m; j（partition）。这些分区之间互相不重叠，并且覆盖了所有的划分主键值。这就确保
了每个行组属于一个唯一的分区。
) k* S! M+ v; D" t分区是云SQL Server复制、迁移、负载均衡的基本单位。每个分区包含多个副本
（默认为3），每个副本存储在一台物理的SQL Server上。由于每个行组属于一个分
! {( l# b0 x) A" z0 k, F' b区，这也就意味着每个行组的数据量不能超过分区允许的最大值，也就是单台SQL
Server的容量上限。
一般来说，同一个交换机或者同一个机架的机器同时出现故障的概率较大，因
" a4 @( C. J3 V1 x而它们属于同一个故障域（failure domain）。云SQL Server保证每个分区的多个副本
5 |& ^. s. z8 ^; [7 E- H分布到不同的故障域。每个分区有一个副本为主副本（Primary），其他副本为备副
  E& D( h# `; L8 j: }3 I本（Secondary）。主副本处理所有的查询，更新事务并以操作日志的形式将事务同
步到备副本，备副本接收主副本发送的事务日志并应用到本地数据库。目前，备副
: i1 y+ }4 C% T本不支持读操作，当然，这是很容易实现的，只是可能读取到过期的数据。
如图7-3所示，有四个逻辑分区PA、PB、PC、PD，每个分区有一个主副本和两
7 a' ?6 U' t, X6 {( T3 ^个备副本。例如，PA有一个主副本PA P 以及两个备副本PA S1 和PA S2 。每台物理SQL
$ s8 Y5 S: `* V  s* YServer数据库混合存放了主副本和备副本。如果某台机器发生故障，它上面的分区能
; X1 G6 p6 W, D够很快分散到其他活着的机器上。
7 J+ r' j1 ^  U+ k  P图　7-3　云SQL Server物理模型
9 E0 c+ N5 y3 f7 p$ R分区划分是动态的，如果某个分区超过了允许的最大分区大小或者负载太高，
! z" \% ~- u6 p$ \7 y这个分区将分裂为两个分区。假设分区A的主副本在机器X，它的备副本在机器Y和
Z。如果分区A分裂为A1和A2，每个副本都需要相应地分裂为两段。为了更好地进行
负载均衡，每个副本分裂前后的角色可能不尽相同。例如，A1的主副本仍然在机器
X，备副本在机器Y和机器Z；而A2的主副本可能在机器Y，备副本在机器X和机器
Z。
5 l; ]' ?" I. J$ Q9 Y; r& z7.2.2　架构
云SQL Server分为四个主要部分：SQL Server实例、全局分区管理、协议网关、
% B! G" e5 B7 O' s4 N+ |) k分布式基础部件，如图7-4所示。
  M- V; v7 S$ E# R7 h6 j1 i图　7-4　云SQL Server的分层架构
% w$ w1 O1 D; {$ F; x+ h+ [% j5 n下面分别介绍这几个部分：
6 F, o0 n1 W7 D8 `% I) |●每个SQL Server实例是一个运行着SQL Server的物理进程。每个物理数据库包
% \/ X. v2 a9 N0 J  K$ l5 Q- f- S: P含多个子数据库，它们之间互相隔离。子数据库是一个分区，包含用户的数据以及
: f' k9 X5 }6 O, y( G8 I' D* P2 Kschema信息。
●全局分区管理器（Global Partition Mana- ger）维护分区映射表信息，包括每个
: F4 y2 ^2 p% ]! P& F3 I, ?. {分区的主键范围，每个副本所在的服务器，以及每个副本的状态，包括副本当前是
( |4 I- n! L3 b主还是备，前一次是主还是备，正在变成主，正在被拷贝或者正在被追赶。当服务
器发生故障时，分布式基础部件检测并确保服务器故障后通知全局分区管理器。全
局分区管理器接着执行重新配置操作。另外，全局分区管理器监控集群中的SQL
Server工作机，执行负载均衡，副本拷贝等管理操作。
●协议网关（Protocol Gateway）负责将用户的数据库连接请求转发到相应的主分
: I0 _# C) E7 \+ \区上。协议网关通过全局分区管理器获取分区所在的SQL Server实例，后续的读写事
务操作都在网关与SQL Server实例之间进行。
8 [+ x; L) p4 y1 g0 ?●分布式基础部件（Distributed Fabric）用于维护机器上下线状态，检测服务器
故障并为集群中的各种角色执行选举主节点操作。它在每台服务器上都运行了一个
守护进程。
7.2.3　复制与一致性
云SQL Server采用"Quorum Commit"的复制协议，用户数据存储三个副本，至少
) @& V8 s$ A4 ^( i- q) f) o写成功两个副本才可以返回客户端成功。如图7-5所示，事务T的主副本分区生成操
作日志并发送到备副本。如果事务T回滚，主副本会发送一个ABORT消息给备副
; n9 e- S' d# K+ g7 a2 v- b4 t1 g本，备副本将删除接收到的T事务包含的修改操作。如果事务T提交，主副本会发送
COMMIT消息给备副本，并带上事务提交顺序号（Commit Sequence Number,CSN），
每个备副本会把事务T的修改操作应用到本地数据库并发送ACK消息回复主副本。如
' t! A  r* [4 ^' K0 b1 G果主副本接收到一半以上的成功ACK（包含主副本自身），它将在本地提交事务并
成功返回客户端。
图　7-5　云SQL Server主备同步
某些备副本可能出现故障，恢复后将往主副本发送本地已经提交的最后一个事
, n# \) @' \) e务的提交顺序号。如果两者相差不多，主副本将直接发送操作日志给备副本；如果
8 T; s% b/ [/ D  k两者相差太多，主副本将首先把数据库快照传给备副本，再把快照点之后的操作日
志传给备副本。
主副本与备副本之间传送逻辑操作日志，而不是对磁盘物理页的redo＆undo日
志。数据库索引及schema相关操作（如创建，删除表格）也通过操作日志发送。实
1 I; C  v6 {  U8 O( p6 V0 b$ H践过程中发现了一些硬件问题，比如某些网卡会表现出错误的行为，因此对主备之
间的所有消息都会做校验（checksum）。同样，某些磁盘会出现“位翻转”错误，因
8 j1 k$ V9 y" X& @. x3 ^此，对写入到磁盘的数据也做校验。
! T/ z6 W: B( Z7 W7.2.4　容错
7 r" u- m: c0 z; f: O如果数据节点发生了故障，需要启动宕机恢复过程。每个SQL Server实例最多服
务650个逻辑分区，这些分区可能是主副本，也可能是备副本。全局分区管理器统一
: _' D" G/ c9 G1 T8 b. i: A! @调度，每次选择一个分区执行重新配置（Reconfiguration）。如果出现故障的分区是
1 t# v+ m3 z! t& e" n) A$ G备副本，全局分区管理器首先选择一台负载较轻的服务器，接着从相应的主副本分
: c3 J. R& N0 k区拷贝数据来增加副本；如果出现故障的分区是主副本，首先需要从其他副本中选
择一个最新的备副本作为新的主副本，接着选择一台负载较轻的机器增加备副本。
由于云SQL Server采用"Quorum Commit"复制协议，如果每个分区有三个副本，至少
/ f9 V, n0 o6 L8 l7 U保证两个副本写入成功，主副本出现故障后选择最新的备副本可以保证不丢数据。
8 k' I; u) m8 ]9 {1 k7 e全局分区管理器控制重新配置任务的优先级，否则，用户的服务会受到影响。
比如某个数据分片的主副本出现故障，需要尽快从其他副本中选择备副本切换为主
$ Q( F' K# f/ z+ o5 @* x副本；某个数据分片只有一个副本，需要优先复制。另外，某些服务器可能下线很
. t" X! G7 c% [7 Z. t短一段时间后重新上线，为了避免过多无用的数据拷贝，这里还需要配置一些策
略：比如只有两个副本的状态持续较长一段时间（SQL Azure默认配置为两小时）才
9 ?1 a/ X" a. v6 r$ f, `8 N开始复制第三个副本。
  T* k' r# F% |  q全局分区管理器也采用"Quorum Commit"实现高可用性。它包含七个副本，同一
, P0 [- V% u/ U) h# M2 O时刻只有一个副本为主，分区相关的元数据操作至少需要在四个副本上成功。如果
全局分区管理器主副本出现故障，分布式基础部件将负责从其他副本中选择一个最
新的副本作为新的主副本。
  Y% J% ?' W0 K! u5 g. ]7.2.5　负载均衡
负载均衡相关的操作包含三种：副本迁移以及主备副本切换。新的服务器节点
8 M1 A9 R) n8 t' G' C加入时，系统内的分区会逐步地迁移到新节点，这里需要注意的是，为了避免过多
( a' m1 Q. _' |8 ]" N的分区同时迁入新节点，全局分区管理器需要控制迁移的频率，否则系统整体性能
可能会下降。另外，如果主副本所在服务器负载过高，可以选择负载较低的备副本
6 Y- q$ B* Y4 m7 R# X3 c替换为主副本提供读写服务。这个过程称为主备副本切换，不涉及数据拷贝。
6 d' d; n1 u8 X5 J5 s4 q影响服务器节点负载的因素包括：读写次数，磁盘/内存/CPU/IO使用量等。全局
分区管理器会根据这些因素计算每个分区及每个SQL Server实例的负载。
" ?4 L' l# r1 E7.2.6　多租户
8 j* i8 b+ M4 Y+ i0 `+ @3 T云存储系统中多个用户的操作相互干扰，因此需要限制每个SQL Azure逻辑实例
2 T* n8 ^( V! p使用的系统资源：
1）操作系统资源限制，比如CPU、内存、写入速度，等等。如果超过限制，将
在10秒内拒绝相应的用户请求；
7 S6 r& R! Z1 R# Q2）SQL Azure逻辑数据库容量限制。每个逻辑数据库都预先设置了最大的容
  u( m" s; i; [! _% p量，超过限制时拒绝更新请求，但允许删除操作；
9 F- b4 N/ H# V& X! i+ o! o3）SQL Server物理数据库数据大小限制。超过该限制时返回客户端系统错误，
* U, i8 Y( d; O  m8 ?此时需要人工介入。
+ q# O% U+ L% V* u) p7.2.7　讨论
Microsoft SQL Azure将传统的关系型数据库SQL Server搬到云环境中，比较符合
9 n2 p2 o  E* e用户过去的使用习惯。当然，云SQL Server与单机SQL Server还是有一些区别：
●不支持的操作：Microsoft Azure作为一个针对企业级应用的平台，尽管尝试支
持尽量多的SQL特性，仍然有一些特性无法支持。比如USE操作：SQL Server可以通
6 y5 X! Z* q) ^+ \8 s2 J过USE切换数据库，不过在SQL Azure不支持，这是因为不同的逻辑数据库可能位于
9 W) M. @' }9 u( A1 J$ X% B不同的物理机器。
9 h7 E3 k% k- s4 K$ b5 T$ C. Q$ K●观念转变：对于开发人员，需要用分布式系统的思维开发程序，比如一个连接
除了成功、失败还有第三种不确定状态：云端没有返回操作结果，操作是否成功我
. T5 K! N7 q* O5 ]# i4 f们无从得知；对于DBA，数据库的日常维护，比如升级、数据备份等工作都移交给
, ~& j) J7 \8 P! ]' T0 p2 M, W  M# F了微软，可能会有更多的精力关注业务系统架构。
相比Azure Table Storage,SQL Azure在扩展性上有一些劣势，例如，单个SQL
% g; @- ?" J2 j+ ?8 Y+ d9 LAzure实例大小限制。Azure Table Storage单个用户表格的数据可以分布到多个存储节
点，数据总量几乎没有限制；而单个SQL Azure实例最大限制为50GB，如果用户的数
  Q9 L& d" M+ a! T& l' g% E0 t) J据量大于最大值，需要用户在应用层对数据库进行水平或者垂直拆分，使用起来比
较麻烦。