數據庫高可用能力，是數據庫能否承載核心業務的關鍵能力之一。在眾多的高可用架構中，基于共享存儲的高可用架構是最為常見、也是被廣泛使用的架構。這其中的典型代表就是 Oracle RAC，幾乎已經成為使用 Oracle 的標配架構。隨著近些年來國產數據庫逐步進入深水區，開始承載核心業務，因此對高可用的要求更高；那么基于共享存儲的高可用架構正在被更多關注。本文嘗試對共享存儲架構特點及國內數據庫共享存儲架構產品加以闡述，說明下此類架構產品的當前能力，便于用戶去選項使用。

1. 共享存儲架構特點與優勢

共享存儲架構，對比于其他架構有著鮮明的特點，可以提供很好的高可用、高性能、可擴展和應用透明的特性。下圖將針對常用的架構及與共享存儲架構的對比來說明下。

（1）主備架構（HA）

參見圖一。主備架構，也簡稱HA架構，是采取一主一備架構；即正常運行情況下，所有應用都連接到主數據庫，備數據庫處于空閑狀態。HA 軟件通過心跳線監控主數據庫狀態，如果發現主庫宕機，則 HA 軟件將備數據庫實例自動啟動并拉起數據庫，再自動將VIP地址飄移到新主庫，所有應用也將飄移到新主庫。

（2）非共享存儲架構（MPP）

參見圖二。非共享磁盤架構，也稱為 Shared Nothing 架構，是一種典型的分布式架構。這種架構中，每一個節點都是獨立的、自給的，沒有共享存儲和硬盤，不存在單點競爭問題。這種架構首先具備高可用，單臺出現故障其余節點仍可用；其次無資源競爭，幾乎可線性擴展；第三是支持并行計算，可拓展節點提高算力。這種架構通常用于分析類場景，可支持很大的吞吐量，這里簡稱為 MPP 架構。

（3）數據分片架構（Sharding）

參見圖三。與非共享存儲架構類似，同樣每個節點都是獨立的、自給的，沒有共享存儲和硬盤，不存在單點競爭問題，具有良好的擴展性和容錯隔離能力等。與前者稍有區別在于場景，數據分片架構是伴隨著互聯網發展起來的，其原理是將一個完整的邏輯數據庫通過分片鍵劃分成多個相互獨立的物理數據庫，應用軟件再通過分片鍵進行路由訪問。這樣不僅單個交易事務將被路由到某個分片數據庫，只訪問一個小數據庫，具備更好的性能，而且隨著訪問量的爆炸式膨脹，可快速增加更多節點和存儲，提供更多的對外服務能力，實現良好的擴展性。這種架構通常用于在線交易場景，可支持較高并發，這里簡稱為 Sharding 架構。

（4）主從復制架構（Replication）

參見圖四。與之前談到的主備架構類似，主從復制架構數據庫也均為單機，區別在于從數據庫是否在線并提供服務。當主庫出現故障時，將切換到某個從庫。主從數據庫之間是通過數據復制技術保證數據同步的。從數據復制技術來講，存在邏輯復制或物理復制（基于塊），相對而言后者效率更高些。但這種架構天然存在主從延時問題，雖然也可設置為強同步模式，但性能會下降很多且無法應對單點故障問題。這類架構在互聯網公司非常普遍，這里簡稱為 Replication 架構。

（5）多活復制架構（Multi-Active）

參見圖五。多活復制架構也是基于數據復制技術，這點與主從復制架構一樣；區別在于多份數據都可進行寫操作。這種架構會導致嚴重的寫數據沖突和數據一致性問題，同時，多數據副本存在，也加大管理、維護難度。此類架構產品相對而言，比較小眾。這里簡稱為 Multi-Active 架構。

下表將針對上面這些架構的優缺點及與共享存儲架構（如圖六）對比，后者存在的優勢加以說明。

2. Oracle RAC 主要能力及發展史

作為共享存儲架構產品的代表性產品，Oracle RAC 可以說是將共享存儲架構真正推廣開來。下面我們簡單了解下Oracle RAC 這一產品，也為后面談國產數據庫類似架構產品加以參照對比。

（1）Oracle RAC 核心能力

下面是摘自 Oracle 官方的一篇白皮書，重點闡述了 RAC 的核心能力。

? 高可用性

支持關鍵應用程序的數據庫，需要持續地為應用程序請求提供服務，即使面臨硬件或軟件故障。它還必須能夠在不中斷應用程序的情況下，在所有級別（包括硬件、操作系統、數據庫軟件和數據庫模式）執行計劃維護。

? 工作負載可伸縮性

支持關鍵應用程序的數據庫，需要動態地、不中斷地適應不斷增加的應用程序工作負載。它必須透明地擴展計算、存儲、內存、連接、用戶并以應對應用程序復雜性。

? 不更改應用程序

支持關鍵應用程序的數據庫必須支持上述需求，而不需要更改應用程序。企業已經投入了數十人年的工程師時間來開發他們的應用程序，重寫現有的應用程序并不劃算。

（2）Oracle RAC 架構及組件

互連是 RAC 體系結構的一個關鍵元素，因為它有助于確保向外擴展的 Oracle RAC 數據庫被視為“單個”數據庫系統。這意味著應用程序不需要知道哪個數據庫實例正在處理工作負載請求。此外，Oracle RAC 使用五個關鍵軟件組件:

? 可擴展的數據庫實例

多個數據庫實例并發訪問數據庫數據是不夠的；它們必須有能力協調應用訪問和數據更新。這種智能擴展能力關鍵在于由 Oracle RAC 提供獨特的緩存融合技術，該算法實現跨節點數據的一致分布式緩存的，以實現有效的水平擴展。

? 集群管理

集群管理組件，將多臺服務器轉換為高可用性集群。從管理角度來看，集群作為單個實體進行管理，而不是作為獨立服務器池進行管理。集群管理組件還提供故障集群的檢測、故障轉移和節點成員管理。

? 自動存儲管理

通過允許所有用戶并發訪問數據庫文件來擴展存儲 Oracle RAC 數據庫實例。此外，Oracle ASM提供卷管理功能，包括優化的數據庫文件訪問和數據鏡像，以防止存儲故障。

? 應用程序連續性

支持將活動應用程序連接自動透明地轉移到存活的實例，通過以非中斷和快速的方式執行或部分執行正在運行的請求和事務重演。

? 補丁和配置

自動化補丁和配置管理，通過提供編排配置，修補和升級，以最大限度提高數據庫對應用程序的可用性。

（3）Oracle RAC 發展歷史

自2001年9i版本推出之后，歷經20年的發展，不僅在全球各行各業得到了廣泛深入的運用，而且 Oracle 公司一直在不斷優化 RAC 技術本身，每個版本都推出了涵蓋 RAC 高可用性、高性能等領域的若干新特性。從最早期的8i版本開始，RAC 的雛形已經出現（當時名為Oracle Parallel Server，OPS），其實現多實例的數據讀讀，讀寫模式(DLM)和寫寫模式，仍后者仍需要借助磁盤作為中介，因此效率較低。到了9i版本，真正實現了內存融合，具備全局資源目錄，并獨立出 LMON、LMS 等進程專門管理；10g版本，出現了獨立的集群服務，包括CSS、CRS、EVM等，并有了ASM文件系統專門用于集群文件管理；11g版本，具備了集群資源管理、引入SCAN IP 等；12c版本，則出現了 Flex Cluster 和 Flex ASM，徹底改變了 RAC 集群中數據庫實例與ASM實例間的關系...

3. 國產數據庫RAC能力說明

近些年來，隨著國產數據庫在更多行業、更核心場景投入使用，共享存儲架構的優勢凸顯，廠商也越發重視對共享存儲架構的投入。很多廠商也紛紛推出了自有的基于共享存儲架構的產品，其目標都是對標 Oracle RAC。下面針對收集到的國內部分廠商此類架構產品做了簡單介紹與對比。從整體上看，當前國內此類產品還相對處于早期，信息資料也不是很完整，下文根據各廠商官網及白皮書上的信息整理如下。

（1）達夢-DMDSC

DM 共享存儲數據庫集群，英文全稱 DM Data Shared Cluster，簡稱 DMDSC；是在 DM8 中采用的一項新技術，具有高可用性、可擴展性，是數據庫支持網絡計算環境的核心技術。DMDSC集群是一個多實例、單數據庫的系統，主要由數據庫和數據庫實例、共享存儲、本地存儲、通信網絡、以及集群控制軟件DMCSS組成。DM 共享存儲數據庫集群，允許多個數據庫實例同時訪問、操作同一數據庫，具有高可用、高性能、負載均衡等特性。用戶可以登錄集群中的任意一個數據庫實例，獲得完整的數據庫服務。DMDSC 支持故障自動切換和故障自動重加入，某一個數據庫實例故障后，不會導致數據庫服務無法提供。

? 架構圖

DMDSC 集群主要由數據庫和數據庫實例、共享存儲、DMASM 或 DMASM 鏡像、本地存儲、通信網絡、集群控制軟件 DMCSS、集群監視器 DMCSSM 組成。數據文件、控制文件在集群系統中只有一份，不論有幾個節點，這些節點都平等地使用這些文件，這些文件保存在共享存儲上。每個節點有自己獨立的聯機日志和歸檔日志，聯機日志和歸檔日志都需要保存在共享存儲上。

? 特點：高可用性

只要集群中有一個活動節點，就能正常提供數據庫服務。此外，當出現磁盤損壞或數據丟失時，既可以利用其他鏡像副本繼續提供數據庫服務，又可以使用其他鏡像副本進行數據恢復。

• 實例高可用-DMCSS，當出現系統故障、硬件故障、或人為操作失誤時，DMCSS 可檢測故障并自動將故障節點踢出集群，保證數據庫服務的正常提供。故障節點的用戶連接會自動切換到活動節點，這些連接上的未提交事務將被回滾，已提交事務不受影響；活動節點的用戶連接不受影響，正在執行的操作將被掛起一段時間，在故障處理完成后，繼續執行。當 DMCSS 檢測到故障節點恢復時，自動啟動節點重加入流程，將恢復的故障節點重新加入 DMDSC 集群，將集群恢復到正常的運行狀態。
• 數據高可用-DMASM，如果 DMDSC 配置了 DMASM 鏡像，鏡像功能可提供多副本技術。當出現磁盤損壞或數據丟失時，系統無需人工干預即可利用其他鏡像副本繼續提供數據庫服務，同時又可以自動或手動通過使用其他鏡像副本進行數據恢復。

? 特點：高吞吐量

• 多個節點同時提供數據庫服務，有效提升集群的整體事務處理能力。
• DMDSC 集群中包含多個數據庫實例，數據庫實例訪問獨立的處理器、內存，數據庫實例之間通過緩存交換技術提升共享數據的訪問速度，每個數據庫實例都可以接收并處理用戶的各種數據庫請求。
• 與單節點數據庫管理系統相比，DMDSC 集群可以充分利用多臺物理機器的處理能力，支撐更多的用戶連接請求，提供更高的吞吐量。與雙機熱備系統相比，DMDSC 集群不存在始終保持備用狀態的節點，不會造成硬件資源的浪費。

? 特點：負載均衡

一方面，通過巧用服務名，用戶的連接請求被平均分配到集群中的各個節點，確保連接負載平衡；另一方面，條帶化技術可保證寫入的數據均勻分布到磁盤組內的不同磁盤中，實現數據負載均衡。

• 流量負載均衡，通過配置 DM 數據庫連接服務名來訪問 DMDSC 集群，可以實現節點間的連接自動負載均衡。用戶的數據庫連接請求會被自動、平均地分配到 DMDSC 集群中的各個節點。并且連接服務名支持 JDBC、DPI、ODBC、DCI、.Net Provider 等各種數據庫接口。
• IO負載均衡，通過配置 DMASM 鏡像，使用鏡像的條帶化技術可保證寫入的數據均勻分布到磁盤組內的不同磁盤中，實現數據負載均衡。

（2）人大金倉-KES RAC

? 架構圖

KES RAC 提供了數據庫的連接驅動，實現了客戶端的負載均衡。中間部分的集群管理軟件-clusterware，提供集群成員管理，進行故障檢測與處置。KES RAC 數據庫提供跨節點一致的讀寫服務。集群文件系統支持各節點數據庫對共享存儲的一致性訪問。

? 特點：讀寫請求橫向擴展

KingbaseES RAC集群目前支持2~8個節點的規模。在OLTP類應用可以無沖突的訪問各個節點時，可以獲得0.8以上的吞吐量加速比。

? 特點：高可用性

使用 KingbaseES RAC 可以在一定程度上避免因為硬件或軟件故障引起的計劃內或計劃外停機，增加系統的可用性。KingbaseES RAC提供RPO=0，RTO<60s的可用性以及故障排除后的自動恢復能力。在2節點部署、200并發、負載均衡、多表2000行/s寫入情況下，集群默認配置下RTO參考

? 特點：多種部署模式

• 負載均衡模式，集群各節點都接收讀寫請求，在提供可用性的同時提供橫向性能擴展。在各節點請求無沖突時基準測試可實現0.8以上的加速比。
• 單活模式，集群單節點接收讀寫請求，其他節點只在接收請求的節點故障后接管。各類資源的主節點都保持在接收請求的節點。適用于負載均衡模式下有跨節點通信瓶頸業務場景，提供可用性的同時不會有主備復制的同步延遲。
• One Node模式，類似Oracle RAC One Node模式，集群中提供多個單實例服務，提供冷備級可用性，單實例支持擴展為多實例。適用于數據庫集中類場景，需要低成本運行多個業務。

（3）南大通用-GBase8s

GBase 8s是天津南大通用數據技術股份有限公司自主研發的、成熟穩定的基于共享存儲的數據庫集群。該方案實現了在低成本服務器上構建數據庫高可用系統，應用自由部署，故障自動切換。GBase 8s 共享存儲集群 Shared Storage Cluster（SSC）通過多個節點對外提供服務，保障系統高可用。數據保存在共享存儲上，所有節點共享一份數據。共享存儲集群提供的通信協議、SQL 協議與單機相同，保障應用系統無縫遷移。支持集中式部署、共享存儲高可用部署、兩地三中心高可用部署，具備高容量、高并發、高性能等特性。

? 特點：高可用性

• 當某節點發生故障時，其他節點自動接管服務請求。主節點故障秒級切換，輔助節點故障不影響數據庫服務。
• 共享存儲高可用，支持共享存儲高可用，解決用戶關鍵業務中非常關心的數據高可用問題，支持故障自動秒級切換。支持節點數達16個，用戶可通過增加節點數，實現讀性能近線性提升。
• 支持同機房共享存儲（SSC）、主備高可用災備（HAC）能力、異地災備高可用（RHAC）能力。

? 特點：高擴展性

GBase 8s 共享存儲集群最高可支持 128 節點，用戶可根據自己需要在線增加節點數。

? 特點：應用透明性

Connection Manager 功能部件，它可以提供SLA功能，更好地實現負載均衡的能力，同時提供了 FOC（FailOver Connection) 功能，實現透明故障接管能力。

? 特點：多部署方式

GBase 8s 系統的高可用集群有共享存儲集群、容災集群三種，并支持組合，實現兩地三中心高可用部署。集群切換可通過連接管理器（CM）組件實現。

• 災備集群 HAC(High availability cluster)根據備份距離不同分為同城災備集群和異地災備集群。HAC 技術是一種將數據從主服務器復制到備服務器的技術。異地災備集群是同城容災的擴展，提供遠程的容災備份方案，同城容災備集群支持同步、半同步、異步三種模式，異地災備集群支持異步模式；
• 共享存儲集群SSC(Shared storage cluster) 通過多個節點對外提供服務，保障系統高可用。數據保存在共享存儲上，所有節點共享一份數據。當主節點出現故障時，備節點將自動、快速接管主節點服務。
• 企業級復制 Enterprise Replication（ER）是基于日志的異步工具，用于在 GBase 8s Server 數據庫服務器之間復制數據。源服務器上的Enterprise Replication 通過讀取邏輯日志，存儲事務并將每個事務作為復制數據可靠傳輸至目標服務器。
• 連接管理器（CM）是一個輕量級連接管理組件，位于應用程序和 8s 高可用數據庫集群之間，根據集群狀態提供負載均衡及故障接管功能，支持代理和重定向兩種模式。

GBase 8s 提供強大的高可用集群整體解決方案，除 SSC、HAC、遠程 HAC 集群外，還支持 SSC+HAC 構建同城雙活高可用架構方案、SSC+HAC+遠程 HAC 異地災備技術構建兩地三中心高可用架構方案，以及支持實時同步的 ER 集群解決方案。

（4）優炫-UXDB SRAC

優炫的共享存儲多寫多讀高可用集群（SRAC）是 UXDB 基于 shared-disk 架構的共享存儲集群。通過 SRAC 構建更強大的高可用、高性能、易伸縮解決方案，適用于金融賬務系統、生產制造等大型交易應用。

? 特點：高可用

共享存儲集群高可用，SRAC 是將多個優炫數據庫通過組網方式并聯在一起，集群間各數據庫實例通過共享存儲的模式共用一份數據文件集合，并利用共享緩沖區，在集群之間建立信息同步機制，保證集群內各實例的相互協調，實現多活分布，多寫多讀。針對高可用的保障分為故障轉移和數據完整性。故障轉移是當集群中某臺數據庫實例出現故障時，SQL 請求會被轉移到其它正常實例上，保障應用訪問的連續性。數據文件存儲在集中式共享存儲中，通過多副本機制，保證數據的完整性。

? 特點：負載均衡

負載均衡是指將不同的請求分布到多個服務器，以便可以在其中均衡分配負載。優炫數據庫的負載均衡支持輪詢、權重、最小連接數以及自定義負載均衡策略，能顯著提升數據庫整體性能，優炫數據庫提供如下負載均衡方案。UXPool 是位于 UXDB 服務器和客戶端之間的中間件，提供連接池、復制、負載均衡、并行查詢、限制超過限度的連接等功能，程序攔截每個 SQL 查詢并把它發送給一個或多個 UXDB 節點，適用于讀寫分離的 UXDB 集群部署方式下的負載均衡。使用該 UXPool 可有效減少數據庫連接開銷，其配合 UXDB 集群的浮動 IP 配置，可滿足多節點故障自動轉移，實現需要負載均衡但對應用完全透明的需求。集群節點故障后自動切換，故障恢復自動重加入。

? 特點：災備

區別于為應對意外事件造成的數據丟失問題的備份，容災是為了在遭遇災害時能保證信息數據庫系統仍能正常運行，幫助企業實現業務連續性目標。UXDB 支持基于應用程序、數據庫、存儲設備的遠程復制和操作系統級的遠程鏡像等多種方法。支持同城雙中心災備、二地三中心的異地災備方案。

（5）崖山-YanshanDB

? 架構圖

• YashanDB共享集群依據YashanDB的數據庫內核邏輯演進而來，并在共享存儲的基礎上引入了Cohesive Memory核心技術，用于集群數據庫各實例之間協同數據頁的讀寫訪問以及各種非數據類資源的并發控制。其中，GRC（ Global Resource Catalog ）負責全局資源管理，GCS（ Global Cache Service ）負責全局數據頁管理，GLS（ Global Lock Service ）負責全局鎖管理。
• Inter-Communication Service，內部通訊服務，簡稱ICS，用于建立實例之間的連接池，并實現實例間的相互通信。
• Yashan File System，崖山文件系統，簡稱YFS，崖山文件系統承擔了集群文件系統的職責，直接管理裸設備，并提供強一致的文件系統服務給數據庫使用。
• Yashan Cluster Service，崖山集群服務，簡稱YCS，崖山集群服務是集群數據庫高可用的核心部件，統一管理崖山文件系統、數據庫等資源，包括配置、啟停、監控等，并在各種故障場景下提供仲裁服務，維護全局統一的拓撲狀態，支撐YashanDB共享集群從部署到啟停的完整形態的穩定運行。

? 特點：高可用

• 一套共享集群由若干臺服務器組成，當某臺物理服務器宕機時，共享集群仍能正常提供服務。
• 崖山集群文件系統（后續簡稱YFS），還提供了管理diskgroup（磁盤組）、failuregroup（故障組）等重要特性，以支持共享集群的存儲高可用。

? 特點：透明應用切換

通過TAF（ Transparent Application Failover ）技術，在客戶端層面實現數據庫服務端發生故障時，能夠自動重連或切換到活躍實例，不需要用戶介入和感知，但用戶的未提交事務將被執行回滾。透明應用切換屬于客戶端側功能，用戶可自由選擇是否使用，但與不使用導致拋出連接錯誤相比，透明應用切換使得應用程序對用戶變得更加友好，最大程度保證了業務的連續性。