【K-DB干貨】淺談KRAC內(nèi)存融合技術(shù)
數(shù)據(jù)庫的橫向擴展已經(jīng)成為各個企業(yè)用戶的基本需求，一方面隨著企業(yè)前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)的膨脹，后端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的負載也在不斷增長，企業(yè)進行縱向擴展技術(shù)難度較大，另一方面，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關(guān)鍵性不斷提高，橫向擴展不僅提高處理性能，也極大的提高了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的容錯能力。
目前，數(shù)據(jù)庫橫向擴展有多種實現(xiàn)方式，較為主流的是共享存儲（Shared Disk）技術(shù)，不久前，浪潮發(fā)布的K-DB數(shù)據(jù)庫，這款產(chǎn)品就基于共享存儲技術(shù)，實現(xiàn)了雙機高可用（HA）、多機集群（KRAC）等數(shù)據(jù)庫橫向擴展。
浪潮K-DB采用基于共享存儲（SharedDisk）的雙機或多機集群（KRAC）架構(gòu)。
KRAC具有兩大特點：故障轉(zhuǎn)移和負載均衡。一方面，KRAC集群技術(shù)提供高可用解決方案，為用戶提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)的同時提供故障切換與恢復(fù)能力（Fail Over集群功能），避免單點故障，減少停機時間，確保系統(tǒng)全年7*24穩(wěn)定運行。另一方面，后端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的負荷隨著應(yīng)用系統(tǒng)壓力的上升也在不斷的增加，集群技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的橫向擴展，將數(shù)據(jù)庫的壓力平均分配在多臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上。
【KRAC演示視頻】
http://v.qq.com/boke/page/x/k/1/x0174dycbk1.html
而在介紹這兩大特點前，我們先通過下圖了解KRAC的體系結(jié)構(gòu)。
KRAC體系結(jié)構(gòu)
KRAC由多個節(jié)點的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和共享存儲組成。共享存儲上主要存放的是數(shù)據(jù)庫必需的文件，包括數(shù)據(jù)文件、日志文件及控制文件等。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上運行著數(shù)據(jù)庫對應(yīng)的實例，多實例之間通過內(nèi)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的傳輸。KRAC的各個節(jié)點可以同時對磁盤進行讀寫，實現(xiàn)了多讀多寫的真正集群技術(shù)。
KRAC具有兩大特點：故障轉(zhuǎn)移和負載均衡。
特點一：故障轉(zhuǎn)移
KRAC數(shù)據(jù)庫可以對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中出現(xiàn)的任何單點故障節(jié)點的session 轉(zhuǎn)移到其他正常的節(jié)點上，如磁盤、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等，保障應(yīng)用系統(tǒng)的不間斷，最大程度的減少用戶的損失。
KRAC故障轉(zhuǎn)移
特點二：負載均衡
KRAC會將所有的用戶session平均分配到各個節(jié)點上，集群中的各個節(jié)點均能對磁盤進行讀寫，達到應(yīng)用系統(tǒng)的線性擴展，從整體上提高數(shù)據(jù)庫的吞吐量。
數(shù)據(jù)庫各個節(jié)點的實例之間通過高速的內(nèi)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，避免了節(jié)點間訪問數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的不必要的IO，而影響到性能。而在KRAC集群中，由于有多個節(jié)點都具有block buffer，這就需要節(jié)點間的blockbuffer可以互相傳輸訪問，才能達到一致性的狀態(tài)。
要具備以上2大特點，就不得不提內(nèi)存融合技術(shù)，他是實現(xiàn)KRAC功能的核心。
KRAC核心技術(shù)：內(nèi)存融合
KRAC集群內(nèi)部組件
KRAC的集群中由CCC(Cluster CacheControl)模塊和GCA(Global CacheAdapter)模塊實現(xiàn)集群間數(shù)據(jù)庫的融合。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊類型根據(jù)不同場景的需要而不一樣，主要包括CR block、Global dirty block、current block。節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苡赡KINC(Inter-NodeCommunication)服務(wù)。在節(jié)點間請求的block buffer由 CCC 和CGA 構(gòu)造完畢后，INC 負責將對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)侥康墓?jié)點。
KRAC內(nèi)存融合主要體現(xiàn)在4大核心技術(shù)上：鎖機制、角色、PIBLOCK和GLOBAL LOCK DIRETROY。
下面，我們將為大家詳細介紹這4個核心技術(shù)點的運行機制。
鎖機制
在數(shù)據(jù)庫中，對于數(shù)據(jù)塊的block buffer的并發(fā)讀寫使用鎖機制進行保護。每一個數(shù)據(jù)塊的鎖包括三種模式，分別為NULL、SHARED和EXCLUSIVE 。三種模式的兼容列表如下：
當某一個用戶持有block buffer的鎖時，如果其他用戶以兼容模式的鎖方式進行訪問，那么這2個用戶可以同時訪問該數(shù)據(jù)塊。
而一旦2個用戶以不兼容方式訪問同一個數(shù)據(jù)塊時，后面的用戶必須等到前一用戶釋放鎖之后才能開始操作。這種解決方案是單實例K-DB數(shù)據(jù)庫的解決方案。而在KRAC中，K-DB數(shù)據(jù)庫在此基礎(chǔ)上，增加了額外了管理方式-角色和Past image Block數(shù)據(jù)塊。
角色
K-DB 對于數(shù)據(jù)塊的分配了2種角色，分別是LOCAL 和GLOBAL，當數(shù)據(jù)blockbuffer只在一個節(jié)點與磁盤上的數(shù)據(jù)不一樣（臟數(shù)據(jù)），該block buffer的角色為LOCAL狀態(tài)。當在多個節(jié)點上存在“臟數(shù)據(jù)”時，block buffer的角色為GLOBAL.
PI BLOCK
如果一個block 在某一個節(jié)點中被修改后，然后該block傳輸?shù)搅似渌?jié)點，那么本節(jié)點存儲的block塊為PI（Past Image）block。PI BLOCK 塊在以下2個方面具有一定的優(yōu)化作用：
- 提升CR 塊構(gòu)建的速度。當本地構(gòu)建的CR塊的SCN 小于PI BLOCK 的SCN時，無需從其他節(jié)點傳輸最新的current數(shù)據(jù)庫，直接在本地使用PI BLOCK可以構(gòu)造。
- 節(jié)點宕機后，提升系統(tǒng)恢復(fù)的性能。當某一個節(jié)點宕機后，整個集群會暫時停止服務(wù)，進行內(nèi)部恢復(fù)。恢復(fù)的原理就是將宕掉節(jié)點的redo日志在其他節(jié)點進行恢復(fù)。在恢復(fù)時，對于redo日志中小于PI BLOCK的SCN無需重做，從大于等于PI BLOCK的SCN處開始恢復(fù)，從整體上減少了恢復(fù)的工作量。
GLOBAL LOCKDIRETROY
在K-DB數(shù)據(jù)庫中，所有各個節(jié)點對于bufferblock的鎖信息，都會記錄在GlobalLock Directory(GLD)。各個節(jié)點在share pool 內(nèi)存中分配出一部分內(nèi)存，共同組成整個的GLD。那么一個節(jié)點會記錄哪一個數(shù)據(jù)塊的鎖和角色的相關(guān)信息呢？
在這里，KRAC又提出了一個新的機制，就是master機制。
所有的buffer block在當前的正在運行狀態(tài)的集群中，只會對應(yīng)到一個master節(jié)點，該master節(jié)點會記錄相對應(yīng)的buffer block在各個節(jié)點中鎖狀態(tài)和角色的相關(guān)信息。任何節(jié)點在訪問某一個buffer block時，都需要向他的master節(jié)點進行申請。Master節(jié)點在收到buffer block訪問的請求后，會確定該buffer block塊的當前位置，然后將該buffer block塊傳送給請求用戶。所有的master中的信息，共同組成了GLR(Global Lock Directory)。
數(shù)據(jù)塊訪問流程
為了便于大家更直觀理解內(nèi)存融合，下面通過三個場景舉例說明：
場景示例——內(nèi)存融合
測試參數(shù)說明：測試Block 的master 節(jié)點是C。Master節(jié)點中關(guān)于bufferblock一共記錄了4個參數(shù)，第一個代表的鎖模式，如S(Shared),E(Exclusive),N(Null)。第二個參數(shù)是定義的是角色，如L(Local),G(Global)。第三個參數(shù)定義的是是否為PI， 0代表否，1代表是。第四個參數(shù)是該鎖對應(yīng)的instance 節(jié)點。
場景一節(jié)點B讀取磁盤中的BLOCK塊
（1）B節(jié)點向master C節(jié)點申請讀取block(2,203),BLOCK 中的數(shù)據(jù)為21
（2）主節(jié)點master C 向B節(jié)點賦予block(2,203)的 local 角色shared 模式lock
（3）B節(jié)點從磁盤讀取block塊（2，203）
場景二節(jié)點A更新節(jié)點B中緩存的buffer block
（1） A節(jié)點向Master Node C申請寫B(tài)L(2,203),將21修改為22.
（2） Master節(jié)發(fā)現(xiàn)B節(jié)點以Shared 模式持有BL(2,203).master主節(jié)點要求B節(jié)點將當前的鎖由Shared降為Null模式。
（3） 節(jié)點B將本地的鎖降為Null模式后，將BL(2,203)發(fā)送給A節(jié)點。A節(jié)點獲取local 角色的exclusive 模式的鎖，修改BL(2,2003)中的數(shù)據(jù)為22.
場景三B節(jié)點再次更新同一個Block
- B節(jié)點向Master 申請X鎖，寫B(tài)lockBL(2,203).將數(shù)據(jù)修改為23
- Master 節(jié)點發(fā)現(xiàn)最新版本的數(shù)據(jù)塊在A節(jié)點上,并且A 以X鎖占有該數(shù)據(jù)塊。Master節(jié)點要求A節(jié)點的鎖降為NULL模式，同時由于此后2個節(jié)點中都存在與磁盤中的數(shù)據(jù)不一致的數(shù)據(jù)，A節(jié)點的角色升級為GLOBAL,A中當前的數(shù)據(jù)庫記為PI塊。
- A節(jié)點鎖降級后，將數(shù)據(jù)塊BL(2,203)傳送到B 節(jié)點,節(jié)點B將數(shù)據(jù)修改為23.
好了，通過上文介紹，想必大家對浪潮K-DB數(shù)據(jù)庫的KRAC功能和運行原理有了全面認識。
總結(jié)來講，浪潮K-DB數(shù)據(jù)庫是除了Oracle以外，第二個能夠?qū)崿F(xiàn)共享存儲的集群技術(shù)的產(chǎn)品，采用KRAC多機集群架構(gòu)，具有故障自動轉(zhuǎn)移、高伸縮能力和自動負載均衡特性，保障系統(tǒng)可用性的同時，大幅提升可用性和性能，還能實現(xiàn)系統(tǒng)性能平滑升級且接近線性的擴展。
