Amazon新一代云端关系数据库Aurora（下）
本文由 网易云 发布。
作者：郭忆
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故障恢复
MySQL基于Check point的机制，周期性的建立redo log与数据页的一致点。一旦数据库重启，从记录的Check point开始，根据redo log，对相应的数据页进行更新，对于已经提交的事务则确保事务更新持久化到硬盘的数据页中，对于未提交事务，利用数据页对应的roll pointer指针找到对应的undo log，进行回滚。MySQL 一般5分钟一个check point，在故障恢复过程中，由一个线程负责redo log的回放，整个过程数据库实例完全是停服的。
与MySQL 相同的是Aurora 在故障恢复过程时，首先也必须要找到一个一致性点，但是与MySQL不同的时，这个一致不要求所有的数据页是一致的，Aurora只要求找到VDL，确保日志的一致性。
基于read quorum机制，Aurora可以确保对于每一个PG，读到满足writer quorum的redo log record，从而建立VDL。对于每个存储节点，大于VDL的redo log记录将被删除。另外，虽然论文中并没有提，但是由于Aurora的Cache是独立于数据库进程的，所以当仅是数据库实例重启时，Cache内Page LSN大于VDL的数据页同样也需要被清理掉，因为这部分数据页对应的redo log并没有持久化到存储系统中。
建立VDL后，数据库即可以开始进行正常的读写访问。对于没有被提交的事务，由于undo写入的同时也会写redo，并且存在在同一个MTR中，所以undo也是完整的，根据undo可以完成对事务的回滚。但是与MySQL不同的是未提交事务的回滚是后台异步在存储节点完成的。同时，Aurora的redo log的更新是根据page待修改记录的多少来按需进行合并的，并且由于底层存储系统redo log和数据页分散在多个存储节点的segment上，所以可以并行进行数据页的合并。
经过AWS 官方的测试，Aurora在10W 写QPS的压力下，故障恢复只需要10秒。另外值得一提的是，与MySQL Buffer Cache是进程内分配的内存空间不同，Aurora的Buffer Cache是独立于数据库进程的，这样做的一个好处就是数据库宕机以后，不会丢失热点，当然这也仅限于数据库实例宕机，如果是系统宕机，就没用了。
性 能
测试对象为Aurora，MySQL 5.6，MySQL5.7,分别在5种规格下（最大规格为32 vcpus，244G内存，最小的规格为2 vcpu，15G 内存，每种规格为前一个规格的一半vcpu和内存）的sysbench 纯读和纯写的压测。测试数据量为1G，所以是全内存的测试。
性能对比还是很明显的，得益于大幅减少的跨网络IO以及基于log-structured storage的数据结构，Aurora在r3.8xlarge规格下写可以达到每秒12W。由于Aurora可以创建多个只读实例，所以Aurora在r3.8xlarge规格下读可以达到60W（文章中并没有提及是否 使用了Aurora，但是在全内存场景下，笔者猜测，应该是基于多个replica达到的）
更多高级特性
在线修改表结构
Aurora的Online DDL相较于MySQL在实现上也非常有特色，Aurora目前仅支持在线加列（列允许为空），MySQL 5.6开始，加列操作也支持在线，但是体验较差，我们首先来看一下MySQL 5.6的在线加列过程：
MySQL 5.6 的在线加列分为3个过程：
Prepare: 持有MDL(MetaDataLock)排它锁，创建新的frm文件，更新内存数据字典，生成临时idb文件（记录增量），释放排它锁；
Execute:逐行遍历每一条记录，按照新的表结构构造记录，所有的更新操作都被记录在idb文件中；
Commit: 重新持有排它锁，将临时idb文件中的更新回放到表中，如果更新频率非常高，这个时间可能会比较长，最后临时文件被删除，rename新表。
这样一个流程实际让我们想到了利用Percona的Xtrabackup对数据库在线备份和恢复的过程，允许拷贝期间数据的短暂不一致，然后利用拷贝数据期间的row_log日志最终确保所有数据的一致性。
这样的设计满足了在线修改表结构的需求，但是由于存在全表拷贝，耗时往往非常长，同时最后阶段的加锁时间也不确定，在DBA 使用过程中，往往提心吊胆。
Aurora的设计则显得更为巧妙，很容易让人联想到LVM的Copy-on-write在线snapshot设计，修改过程仅仅只是修改原数据，并不涉及具体的数据拷贝，数据的拷贝是在该数据被修改时才完成的。
在Aurora中执行一条在线加列的DDL操作非常快，这是因为处理该请求系统只是在一个Schema Version Table的系统表中增加一行记录。接下来的DML，Aurora采用了modify-on-write的策略，以Page为单位，如果一个page的LSN大于加列DDL的LSN，则说明，该page已经被修改了schema，所以在DML发生前，就需要将该数据页按照新的schema格式进行存储。对于读操作，如果这个数据页还没被修改过，则直接在内存里面加一个空列进行返回给客户端。
由于Aurora的Online DDL只是增加一条数据库记录，所以速度相比MySQL快了很多个数量级。
地理位置空间索引
Aurora 与MySQL 5.6一致，支持空间数据类型（Point、POLYGON...）和空间关系函数（ST_Contains、ST_Distance...）， MySQL 5.7 InnoDB也开始支持空间地理索引，对大数据集下的查询性能有很大的提升。Aurora 也支持空间地理索引，但是与MySQL 5.7 R Tree的实现方式不同，他是通过空间填充曲线对多维数据进行降维，基于B Tree实现的，这个与MongoDB更为类似。
MySQL 5.7的Spatial Index实际是根据最小边界矩形来构建的R Tree。树顶端的两个节点代表的分别是最外层的两个矩形，每一个子树就是该矩形内的所有的节点。然后再根据最小边界矩形规则，构建子节点。当我们要查询某个范围内的所有节点时，可以通过这个范围跟各个矩形是否有重叠来确认查询范围，从最顶端的两个节点代表的矩形开始查找。如果有重叠，就需要查询该子树内的节点。基于R-tree实现的空间地理索引的缺点在于构建成本比较高昂。
Aurora的实现则是将多维数据首先利用一定的算法（时间空间曲线Z-index）进行降维，转换成字符串，然后利用B-Tree方式进行存储。
在线Point-in-time Restore
MySQL 企业版有一个对DBA很有用的功能就是Flash back，可以实现将数据库在线回滚到指定的时间点，对于误操作或者新上线BUG导致的数据修复非常有用，原理上他是基于Row格式的Binlog(会保存修改的前项和后项)进行逆向执行到指定位置实现的。
Aurora提供了两种针对上述场景的修复功能，在线PITR（Point-in-time restore）和离线PITR，前者是在原实例的基础上直接进行数据回滚，恢复期间数据库是可用的，后者是通过备份恢复出一个新的实例，恢复期间新的实例是不可用的。
与MySQL 基于binlog的逆向执行不同，Aurora是基于redo log record来实现的。Aurora底层每个存储节点都会定期对存储节点上所有segment进行快照，与LVM类似，只备份元数据，如果某个segment中的某个block数据被重新写，则需要首先将数据拷贝到指定的区域（purchased rewind storage）,然后更新该block。
当我们要进行数据恢复时，首先我们找到要恢复的时间点以前最近的所有存储节点上segement快照，然后根据该快照对应的lsn之后的redo log record就可以完成数据的修复。（rewind window 内的redo log record是不会被清理的）
在很多场景下，我们一次是无法精确定位到我们需要的时间点的，这时候，Aurora会根据redo log recod的可见性来快速实现时间点的前进和后退。如图所示，当我们从t2时间点恢复到t1时间点时，我们只需要将t1-t2之间的redo log record不可见即可。当我们希望从t4回滚到t3时，我们只需要将t3-t4和t1-t2之间的redo log record设置不可见即可，当然这必须满足MTR的原子性要求。
总 结
做架构设计的人有一个共识，没有最完美的架构设计，只有最适合的架构设计。Aurora 应该说就是这种理念最完美的诠释。在计算与存储分离的云基础设施之上，通过仅传输redo log，大幅减少跨网络的IO数据传输，将产生大量IO的数据页合并和持久化交由本地存储来解决，大幅减缓了网络延迟对数据库性能的影响。
另外，基于log-structured storage的数据页合并，相比Check point，可以更加高效的合并针对同一个数据页的更新，这些无疑提高了数据库的写入性能。多个replica共享同一个storage volume，多副本并发读取，大幅提高了数据库的读性能。总体来说，
Aurora 对于云端数据库的架构设计具有划时代的意义，充分利用了云基础设施的架构特性，将数据库性能做到极致。
参考文档
1. Amazon Aurora: Design Considerations for High Throughput Cloud-Native Relational Databases SIGMOD’17, May 14 – 19, 2017, Chicago, IL, USA.
2. AWS 2016 re:Invent Amazon Aurora Deep Dive
3. AWS Aurora blog: https://aws.amazon.com/tw/blogs/database/category/aurora/?nc1=h_ls
4. Percona live 2016 Amazon Aurora Deep Dive
5. https://dev.mysql.com/
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