?本文首先回顧并行硬件架構的發展，并進一步介紹基于并行硬件架構的數據庫一體機系統與基于MPP架構的數據庫軟件系統。數據庫一體機系統在銀行等大型企業中采用廣泛，一體機的優點是開箱即用、功能豐富、穩定、售后服務好，缺點是價格昂貴、擴展不靈活。基于普通服務器集群加MPP數據庫軟件構建的數據庫系統，優點是硬件成本低、水平擴展容易、易于進行海量數據處理、吞吐量高，缺點是僅適合用于數據分析。

01并行硬件架構的發展

為了提高計算機系統的處理能力，在處理單元（CPU）性能確定的情況下，就需要增加處理單元的數量，此時從計算單元（CPU）對資源（特別是內存）訪問的角度來看，并行硬件架構分為三種，詳細說明如下。

SMP（Symmetric Multi Processing，對稱多處理器）架構。這里的“對稱”是指所有處理器之間是平等的，并且共享包括物理內存在內的所有資源，處理器訪問不同資源的能力（速度）是一致的，每個處理器訪問內存中的任何地址所需的時間是相同的，因此SMP架構也被稱為UMA（Uniform Memory Access，一致存儲器訪問）架構。

• NUMA（Non-Uniform Memory Access，非一致存儲訪問）架構。NUMA架構服務器內部有多個處理模塊（節點），每個模塊有多個CPU和本地內存，但每個CPU也可以訪問整個系統的內存，當然訪問本模塊的內存要比訪問其他模塊內存的速度快，這也是非一致存儲訪問架構名稱的由來。

• MPP（Massively Parallel Processing，大規模并行處理）架構。MPP架構是將多個處理節點通過網絡連接起來，每個節點是一臺獨立的機器，節點內的處理單元獨占自己的資源，包括內存、硬盤、IO等，也就是每個節點內的CPU不能訪問另一個節點的內存（這是MPP與NUMA的主要區別），MPP架構服務器需要通過軟件實現復雜的調度機制以及并行處理過程。

這三種技術架構的發展是一個并行能力、擴展能力逐漸提高的過程，也是耦合度逐漸減低的過程，它們的區別如圖1所示。SMP架構服務器的主要問題是擴展能力十分有限，隨著CPU數量的增加，內存訪問沖突出現的概率會快速增加。實驗表明，SMP架構服務器CPU利用率最好的情況是服務器內有2～4個CPU。NUMA架構可以在一個物理服務器內最多集成上百個CPU，但由于訪問非本節點內存的延時遠遠超過本地內存，因此在CPU達到一定數量后，無法再通過增加CPU實現系統性能的線性提高。MPP架構的擴展性最好，理論上對節點數量沒有什么限制，可以包含幾百個節點。

▲圖1　并行硬件架構對比

02基于并行硬件架構的數據庫設備

數據庫廠商推出了很多軟硬件一體的數據庫設備產品，此類產品是由一臺或多臺主機組成的集成設備，將服務器、存儲、操作系統和數據庫軟件集成在一起，可以實現開箱即用。國內一般將此類產品稱為數據庫一體機（Database Machine）。

為了提高性能，此類產品都會采用并行硬件架構。從資源共享角度來看，這類產品的數據庫架構可分成三類，詳細說明如下。

• 完全透明共享（Shared Everthing）系統。一般是針對單個主機，采用SMP或者NUMA硬件架構，是一個高性能的單臺服務器，此類產品可以提供較高的事務處理能力。

• 完全不共享（Shared Nothing）系統。由多個主機組成，采用MPP硬件架構，各節點都有自己私有的CPU、內存、硬盤等，不存在共享資源，每個節點是一臺SMP服務器，在每個節點內都有操作系統和管理數據庫的實例副本，管理本節點的資源，節點間通過網絡通信，能夠處理的數據量更大，適合復雜的數據綜合分析，對事務支持較差。

• 共享磁盤（Shared Disk）系統。由多個主機組成，也屬于MPP硬件架構，各節點使用自己私有的CPU和內存。共享磁盤系統可實現高可用性，即使一個節點故障，也可以通過其他節點訪問所有數據，但由于節點之間不共享內存，需要一個鎖管理器來維護節點緩存之間的一致性，會帶來額外的開銷。

這三類產品的功能特點對比如下表所示。

▼表1　三類產品的功能特點對比

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03基于MPP架構的數據庫軟件系統

基于MPP架構的數據庫軟件系統，一般簡稱為MPP數據庫，它是運行在由普通商用服務器組成的服務器集群上，服務器（節點）之間通過網絡連接，每一個節點都是獨立的、自我管理的，且計算節點的功能是相同的。也就是說，每個節點是一臺相對獨立的數據庫服務器，節點上運行著一個單機操作系統和數據管理系統，用于管理本節點上的資源與數據，即節點資源私有。以基于PostgreSQL的MPP數據庫系統Greenplum為例，每個節點上實際運行著一個單機版的PostgreSQL數據庫實例。如果是主從模式，由管理節點接收客戶端請求并將任務分解分派到多個節點上，在每個節點上完成數據讀取和計算后，再將各部分的中間結果匯總到管理節點一起計算，得到最終的結果并返回客戶端。如果是環形模式，則每個節點都可以接收客戶端的請求，并向其他節點請求數據，待完成匯總計算后將結果返回客戶端。MPP數據庫架構（主從模式或環形模式）如圖2所示。

▲ 圖5-2　MPP數據庫架構（主從模式或環形模式）

從硬件架構上來說，MPP數據庫與Shared Nothing+MPP的數據庫一體機是一樣的，區別是服務器硬件選擇不限定廠商，集群彈性伸縮更靈活，成本更低。在大多數情況下，所有節點都使用相同的硬件和相同的操作系統。?