数据库中间件-He3Proxy
什么是数据库中间件？
随着互联网行业的蓬勃发展，业务访问量、数据量激增，传统数据库的单库、大表已成为业务发展的瓶颈，进而衍生出数据库主从实例、分库分表等方案，为减少数据库层变动对业务开发带来的复杂性，一种连接应用与数据库桥梁的工具孕育而生，即数据库中间件，它可以简单读写分离、分库分表等操作，并隐藏底层的实现细节，让应用层能够像操作单库单表一样操作多个数据库集群，主流的数据库中间件设计可以分为两类。
- 服务端代理：中间件做为一个能独立部署运行的服务，应用层通过连接驱动与中间件建立连接，中间件负责与底层多数据库实例交互，负责处理读写分离、分库分表等逻辑，并将执行结果返回给应用层；典型代表如MyCat。
- 优点：与应用开发语言无关、可支持多语言，对业务完全透明、无侵入；
- 缺点：实现较复杂、难度大，性能损耗较大，需要考虑中间件自身的资源消耗及高可用等；
- 客户端代理：此种模式实现一般是在连接池或数据库驱动上进行二次开发封装，驱动内部与多数据库实例建立连接，同样实现读写分离、分库分表等操作处理，并将结果聚合返回；典型代表如sharding-jdbc。
- 优点：实现简单，天然去中心化不需要单独部署，性能损耗较低；
- 缺点：驱动与开发语言绑定、不支持多语言，对应用有一定侵入、中间件版本升级代价较高；
为什么要自研数据库中间件？
近年来随着云计算产业日益成熟，加之云原生概念迅速普及并大力发展，云原生架构的运用不再局限于应用开发领域，基础软件领域也面临重构。在数据库领域中，各大云服务商也都推出了自己的云原生数据库，一般是一主多从的架构，如Aurora、PolarDB等，最近我们也开源了自研项目-云原生数据库He3DB，基于存算分离架构，提供高性能、高可用性、极致弹性、大容量、低成本等能力，因此云原生数据库对中间件的需求重点不再是分库分表，而更多的关注读写分离、数据读一致性、数据库集群管控能力等方面，通过中间件辅助将云原生数据库的核心能力更好的发挥出来，使用户能像使用单机一样使用云原生数据库，享受到成本更低、性能更好的体验。
He3Proxy从诞生之初其核心目标就是辅助He3DB，将其核心能力最大化、最优化、帮助其完善周边生态，因此除中间件基础功能外，He3Proxy需要结合He3DB架构、特性做特定开发，为用户提供更好的使用体验。这也是我们选择自研数据库中间件的主要原因。
技术选型及技术难点
当然自研也不代表我们要从零开始造轮子，由于人力、时间等因素限制，基础功能部分想借助已有开源软件来补充；He3DB是基于PostgreSQL改造开发而来，并且我们期望用户能像使用单机一样使用云原生数据库，因此中间件选择以服务端代理的方式提供，在技术选型时调研了PG生态常用的服务端代理模式的中间件工具，如下图所示：
其中与PG原生结合性更好的当属pgpool-Ⅱ，它提供了较好的PG兼容性及DB集群运维能力；ShardingSphere作为热度最高的开源中间件项目之一，也提供了对PG数据库的支持，并且在可观测性、数据分片等方面能力突出；但He3Proxy最终选择基于kingshard开发，kingshard无论在功能还是知名度方面相比以上两个项目都有不小的差距，并且kingshard是基于MySQL的中间件，读到这里你可能会越来越疑惑那为什么选择kingshard，回看自研中间件目的是为了服务于He3DB，我们不需要分库分表能力，我们只想找一个轻量级的底座框架进行衍生开发，对我们而言ShardingSphere、pgpool-Ⅱ工程过于庞大复杂，做为基础底座开发不太合适；并且Go语言原生支持高并发编程，执行效率、性能等方面卓越，与云原生生态体系结合更好，团队在Go语言技术储备较好，且团队去年有kingshard相关开发改造的经验，综合考虑kingshard更适合做He3Proxy的底座。
前面介绍客户端代理、服务端代理优缺点时提到服务端代理的实现难度更大，下面简单介绍下实现服务端代理模式的中间件需要解决哪些问题：
- 通信协议：中间件要实现数据库通信协议，如PG、MySQL协议
- 解析器：中间件要具备SQL语法解析能力，以便实现读写分离等功能
- 负载均衡：中间件要具备主从架构下多个读节点的负载均衡能力，提高读节点资源利用率
- 读一致性：对应用层提供读一致性数据
- 数据库集群管理能力：当数据库节点故障、升级等发生时，中间件能对应用屏蔽异常，保证业务稳定性
- ......
He3Proxy功能及愿景
He3Proxy秉承“连接·增强·智能”的目标，致力于打造成一款功能强劲、性能卓越的中间件项目，并以开源的方式共建生态，回馈用户。
如上是He3Proxy的功能架构图，目前已具备基础功能：
- 支持PG协议连接。
- 支持SQL读写分离。
- 支持连接池管理，可复用已有后端数据库链接，减少建立链接时的性能损耗。
- 支持多个slave，slave之间通过权值进行负载均衡。
- 支持多个slave，slave之间通过节点负载情况进行负载均衡。
- 支持显式事务内先读操作的负载均衡。
- 支持强制读主库。
- 支持所有请求均主库执行。
- 支持配置proxy到后端数据库的最大连接数限制。
- 支持SQL黑名单机制。
- 支持通过配置hba文件，实现数据库安全访问权限控制。
- 支持热加载配置文件，动态修改He3Proxy配置项。
- 支持session读一致性，并根据节点负载情况进行负载均衡。(开发测试中)
并规划在未来提供更多能力（包括但不限于）：
- 支持读一致性，节点LSN信息维护到DB粒度
- 支持根据冷热数据分布情况进行读节点选择
- 整体性能调优，目标性能损耗15%以内
- 支持注册中心（优先etcd）
- 支持性能监控，如SQL执行时长、节点负载等
- 支持对He3DB的管理功能，如节点扩缩容、故障切换等
- 支持He3DB集群灰度升级
- 支持流量管控，愿景DB订购参数不再是CPU、Mem、Disk而是所需的TPS、QPS
- 支持Web页面管理中间件功能
