16 KiB
01｜什么是分布式数据库？
你好，我是王磊，你也可以叫我Ivan。
在这门课的第1讲，我想和你探讨一个最基本的问题：什么是分布式数据库？
回答这个问题，其实就是在给分布式数据库下定义。
分布式数据库和很多技术概念一样，没有权威机构来做这个定义，甚至对于哪些机构是权威机构，我们都很难有共识。
作为技术人员，我们常会提到一个概念，叫“事实标准”。当一个技术产品占据市场的主导位置时，它自然就成了同类产品的事实标准。例如，对于关系型数据库，可以说Oracle就是事实标准，因为所有数据库产品发布新版本时，都要拿自己的特性去和Oracle比一比。
很遗憾，分布式数据库作为一个新兴的基础软件，还没有一款产品占据“事实标准”的位置。既然没有参照，我们就自己动手，一起来定义分布式数据库这个概念吧。
由表及里、由外到内是人们认识事物的普遍规律，所以我们让也从内外部两个视角来观察。
外部视角：外部特性
外部视角，就是看看分布式数据库具备哪些特性，能解决什么问题。
通常，业务应用系统可以按照交易类型分为联机交易（OLTP）场景和联机分析（OLAP）场景两大类。OLTP是面向交易的处理过程，单笔交易的数据量小，但是要在很短的时间内给出结果，典型场景包括购物、缴费、转账等；而OLAP场景通常是基于大数据集的运算，典型场景包括生成个人年度账单和企业财务报表等。
OLTP与OLAP两种场景有很大的差异，所以很难在一款产品中完全满足两者的需求，因此在单体数据库时代就演化出了两个的不同技术体系，也就是两类不同的关系型数据库。向分布式架构演进后，两者在架构设计上也采用了完全不同的策略，很难在一个框架下说清楚。
所以，为了让你有更好的学习体验，在这个课程中，我们先专注于讨论OLTP场景下的分布式数据库。
说到这里，我想和你统一一下概念，如果没有特别说明，这个课程中出现的“数据库”都默认为“关系型数据库”，分布式数据库也都是指支持关系模型的分布式数据库。这就是说，NoSQL不是我们要讨论的核心内容。
你可能会说，NoSQL也很重要呀，MongoDB多火呀。
NoSQL当然很重要，MongoDB确实也在一些细分场景中取得了成功。但是，从整体看，关系型数据库由于支持SQL、提供ACID事务保障，显然具有更好的通用性，在更广泛的场景中无法被NoSQL取代。这一点通过NoSQL十余年的发展已经被证明。
事实上，分布式数据库的目标正是融合传统关系型数据库与NoSQL数据库的优势，而且已经取得了不错的效果。
定义1.0 OLTP关系型数据库
仅用“OLTP场景”作为定语显然不够精准，我们来进一步看看OLTP场景具体的技术特点。
OLTP场景的通常有三个特点：
- 写多读少，而且读操作的复杂度较低，一般不涉及大数据集的汇总计算；
- 低延时，用户对于延时的容忍度较低，通常在500毫秒以内，稍微放大一些也就是秒级，超过5秒的延时通常是无法接受的；
- 高并发，并发量随着业务量而增长，没有理论上限。
我们是不是可以有这样一个结论：分布式数据库是服务于写多读少、低延时、高并发的OLTP场景的数据库。
定义2.0 +海量并发
你可能会说这个定义有问题，比如MySQL和Oracle这样的关系型数据库也是服务于OLTP场景的，但它们并不是分布式数据库。
你的感觉没错，确实有问题。
那么，相对于传统关系型数据库，分布式数据库最大的差异是什么呢？答案就是分布式数据库远高于前者的并发处理能力。
传统关系型数据库往往是单机模式，也就是主要负载运行在一台机器上。这样，数据库的并发处理能力与单机的资源配置是线性相关的，所以并发处理能力的上限也就受限于单机配置的上限。这种依靠提升单机资源配置来扩展性能的方式，被称为垂直扩展（Scale Up）。
在一台机器中，随随便便就能多塞进些CPU和内存来提升提性能吗？当然没那么容易。所以，物理机单机配置上限的提升是相对缓慢的。
这意味着，在一定时期内，依赖垂直扩展的数据库总会存在性能的天花板。很多银行采购小型机或大型机的原因之一，就是相比x86服务器，这些机器能够安装更多的CPU和内存，可以把天花板推高一些。
而分布式数据库就不同了，在维持关系型数据库特性不变的基础上，它可以通过水平扩展，也就是增加机器数量的方式，提供远高于单体数据库的并发量。这个并发量几乎不受单机性能限制，我将这个级别的并发量称为“海量并发”。
听到这里你可能还要追问，这个“海量并发”到底是多大呢，有没有一个数字？
很遗憾，据我所知并没有权威数字。虽然理论上是可以找一台世界上最好的机器来测试一下，但考虑到商业因素，这个数字不会有什么实际价值。不过，我可以给出一个经验值，这个“海量并发”的下限大致是10,000TPS。如果你有相关的经验，也欢迎你在评论区留言，我们一起讨论。
现在，基于这些理解，我们可以再得到一个2.0版本的定义：分布式数据库是服务于写多读少、低延时、海量并发OLTP场景的关系型数据库。
定义3.0 +高可靠
这个定义你觉得满意吗？
其实，这个2.0版本仍然有问题。
是不是没有海量并发需求，就不需要使用分布式数据库了呢？不是的，你还要考虑数据库的高可靠性。
一般来说，可靠性是与硬件设备的故障率有关的。
与银行不同，很多互联网公司和中小企业通常是采用x86服务器的。x86服务器有很多优势，但故障率会相对高一些，坊间流传的年故障率在5%左右。
一些更加可靠的数据来自Google的论文Failure Trends in a Large Disk Drive Population，文中详细探讨了通用设备磁盘的故障情况。它给出的磁盘年度故障率的统计图，如下所示：
可以看到，前三个月会超过2%的磁盘损坏率，到第二年这个数字会上升到8%左右。
你可能会说，这个数字也不是很高啊。
但你要知道，对金融行业的关键应用系统来说，通常是要求具备5个9的可靠性（99.999%），也就是说，一年中系统的服务中断时间不能超过5.26分钟（365*24*60*（1-99.999%） ≈ 5.26 ）。
而且，不只是金融行业，随着人们对互联网的依赖，越来越多的系统都会有这样高的可靠性要求。
根据这两个数字，我们可以设想一下，如果你所在的公司有四、五个关键业务系统，十几台数据库服务器，磁盘数量一定会超过100个吧？那么我们保守估计，按照损坏率2%来算，一年中就会碰到2次磁盘损坏的情况，要达到5个9的可靠性你就只有5.26分钟，能处理完一次磁盘故障吗？这几乎是做不到的，可能你刚冲到机房，时间就用完了。
我猜你会建议用RAID（独立冗余磁盘阵列）来提高磁盘的可靠性。这确实是一个办法，但也会带来性能上的损耗和存储空间上的损失。分布式数据库的副本机制可以比RAID更好地平衡可靠性、性能和空间利用率三者的关系。副本机制就是将一份数据同时存储在多个机器上，形成多个物理副本。
回到数据库的话题上，可靠性还要更复杂一点，包括两个度量指标，恢复时间目标（Recovery Time Objective, RTO）和恢复点目标（Recovery Point Objective, RPO）。RTO是指故障恢复所花费的时间，可以等同于可靠性；RPO则是指恢复服务后丢失数据的数量。
数据库存储着重要数据，而金融行业的数据库更是关系到客户资产安全，不能容忍任何数据丢失。所以，数据库高可靠意味着RPO等于0，RTO小于5分钟。
传统上，银行通过两种方法配合来实现这个目标。
第一种还是采购小型机和大型机，因为它们的稳定性优于x86服务器。
第二种是引入专业存储方案，例如EMC的Symmetrix远程镜像软件（Symmetrix Remote Data Facility, SRDF）。数据库采用主备模式，在高端共享存储上保存数据库文件和日志，使数据库近似于无状态化。主库一旦出现问题，备库启动并加载共享存储的文件，继续提供服务。这样就可以做到RPO为零，RTO也比较小。
但是，这套方案依赖专用的软硬件，不仅价格昂贵，而且技术体系封闭。在去IOE（IBM小型机、Oracle数据库和EMC存储设备）的大背景下，我们必须另辟蹊径。分布式数据库则是一个很好的备选方案，它凭借节点之间的互为备份、自动切换的机制，降低了x86服务器的单点故障对系统整体的影响，提供了高可靠性保障。
令人兴奋的是，这种单点故障处理机制甚至可以延展到机房层面，通过远距离跨机房部署。如此一来，即使在单机房整体失效的情况下，系统仍然能够正常运行，数据库永不宕机。
至此，我们得出一个3.0版本的定义，分布式数据库是服务于写多读少、低延时、海量并发OLTP场景的，高可靠的关系型数据库。
定义4.0 +海量存储
还有没有4.0版本呢？
你猜的没错，我们还要补充一些存储能力的变化。
虽然单体数据库依靠外置存储设备可以扩展存储能力，但这种方式本质上不是数据库的能力。现在，借助分布式的横向扩展架构，通过物理机的本地磁盘就可以获得强大的存储能力，这让海量存储成为分布式数据库的标配。
最后，我们终于得到一个4.0终极版本的定义，分布式数据库是服务于写多读少、低延时、海量并发OLTP场景的，具备海量数据存储能力和高可靠性的关系型数据库。
内部视角：内部构成
只通过外部视角来看分布式数据库，已经足够了吗？其实，具有相同的外在特性和功效，未必就是同样的事物。
举个例子，哥白尼刚提出“日心说”来反驳“地心说”的时候，要用到34个圆周来解释天体的运动轨迹；而100多年后，开普勒只用7个椭圆就达到了同样的效果，彻底摧毁了“地心说”。从哥白尼到开普勒，效果近似，简洁程度却大不一样，这背后代表的是巨大的科学进步。
因此，讲完分布式数据库的外部特性之后，我们还要从内部视角来进行观察。
事实上，为了应对海量存储和海量并发，很多解决方案在效果上跟我们4.0版本的定义很相似。但是，它们向用户暴露了太多的内部复杂性。在我看来，对用户约束太多、使用过程太复杂、不够内聚的方案，不能称为成熟的产品。同时，业界的主流观点并不认为它们是分布式数据库，所以我们这门课也就不重点讨论了。
为了让你看清其中的差别，我将这些方案简单地分类介绍一下。
- 客户端组件 + 单体数据库
通过独立的逻辑层建立数据分片和路由规则，实现单体数据库的初步管理，使应用能够对接多个单体数据库，实现并发、存储能力的扩展。其作为应用系统的一部分，对业务侵入比较深。
这种客户端组件的典型产品是Sharding-JDBC。
- 代理中间件 + 单体数据库
以独立中间件的方式，管理数据规则和路由规则，以独立进程存在，与业务应用层和单体数据库相隔离，减少了对应用的影响。随着代理中间件的发展，还会衍生出部分分布式事务处理能力。
这种中间件的典型产品是MyCat。
- 单元化架构 + 单体数据库
单元化架构是对业务应用系统的彻底重构，应用系统被拆分成若干实例，配置独立的单体数据库，让每个实例管理一定范围的数据。例如对于银行贷款系统，可以为每个支行搭建独立的应用实例，管理支行各自的用户，当出现跨支行业务时，由应用层代码通过分布式事务组件保证事务的ACID特性。
根据不同的分布式事务模型，应用系统要配合改造，复杂性也相应增加。例如TCC模型下，应用必须能够提供幂等操作。
在分布式数据库出现前，一些头部互联网公司使用过这种架构风格，该方案的应用系统的改造量最大，实施难度也最高。
看过这三种方案，我相信你能够明白，它们共同的特点是单体数据库仍然能够被应用系统感知到。相反，分布式数据库则是将技术细节收敛到产品内部，以一个整体面对业务应用。
我猜，看到这里你一定很想知道，分布式数据库的内部架构到底长什么样呢？它跟这三种方案有什么区别呢？回答这个复杂的问题，就是我们这门课的使命了。这里你也可以先记下自己的答案，等学完这门课以后再回过头来做个对比，也是对自己学习效果的一种检验。
小结
好了，以上就是今天的主要内容了，我们来小结一下。
我们通过逐层递进的方式，勾勒出分布式数据库的六个外部特性，分别是写多读少、低延时、海量并发、海量存储、高可靠性、关系型数据库。
同时，也存在一些与分布式数据库能力近似的解决方案，这些方案的不足之处是都需要对应用系统进行一定的改造，对应用的侵入程度更深；其优势则在于可以最大程度利用单体数据库的稳定可靠，毕竟这些特性已经历经无数次的考验。
最后，我想就分布式数据库的名称做一些延伸。
“分布式数据库”在字面上可以分解为“分布式”和“数据库”两部分，代表了它是跨学科的产物，它的理论基础来自两个领域。这同时也呼应了产品发展的两条不同路径，一些产品是从分布式存储系统出发，进而增加关系型数据库的能力；另外一些产品是从单体数据库出发，增加分布式技术元素。而随着分布式数据库的走向工业应用，在外部需求的驱动下，这两种发展思路又呈现出进一步融合的趋势。
思考题
在准备分布式数据库这门课的过程中，有的朋友建议我讲讲Aurora，但其实Aurora和这里说的分布式数据库还是有明显差别的，所以没有纳入正式课程。你了解Aurora或者它的同类产品吗？你觉得它和我所说的分布式数据库之间的差异是什么？那导致这种差异的原因又是什么呢？
欢迎你在评论区留言和我一起讨论，我会在答疑篇回复这个问题，如果感兴趣的同学很多，说不定会有加餐哦。
最后，如果你身边也有朋友对如何定义分布式数据库这个概念有困惑，欢迎你把今天这一讲分享给他，我们一起讨论。