分享集群数据库管束系统是一种单库多实例的多活数据库管束系统，用户结合随便实例齐不错考查团结个数据库，具备透明多写、高可用、高性能等秉性。分享集群技巧因其开发难度高，一直被国际把持，也被称为数据库范围的“塔尖”技巧。
2023年，YashanDB认真发布分享集群居品阵势，完了了国产数据库在高端范围“零”的粗疏。本次分享集群系列著述将围绕YashanDB分享集群，深化探讨架构旨趣、时弊技巧以及运维管束等中枢内容。动作该系列的首篇，本文将全面而系统地先容分享集群的架构，为用户提供一个全面的结合框架，为后续的学习和现实打下坚实基础。
配景与挑战
国内近十几年散布式数据库是个热门范围，但从本年北京的DTC会上来看，各大数据库厂商对其分享集群数据库齐作念了一定的先容，分享集群这两年逐渐又成为了热门话题，研发分享集群的厂商许多，类别也许多——云上分享集群、主备分享集群、多写分享集群，看上去RAC技巧并不像十几年前所领会的是已过程时的技巧。
这两年各大厂商又纷纷在分享集群上发力，可能主要有三方面原因：
一是潜在客户群体的需求。RAC仍然是集选取数据库下的典型架构，在一般企业的OLTP时弊业务场景下具备主见的上风。RAC提供了强一致的应用透明多写才气，用户不错像使用单机数据库使用集群；同期提供了集群高可用才气，惟有有存活节点集群仍可提供平时的干事。
二是数据库厂商技巧积聚的甩掉。国内数据库技巧发展有三十余年，各大数据库产商在数据库内核范围、集群范围齐有了一定的粗疏和积聚，具备了作念RAC架构的基础。
三是新式硬件环境条目。国内金融、政企、电信等范围近几年齐在作念基于新硬件的数据库系统升级，对分享集群有一定的诉求，当今国内不错作念到平替的数据库居品有限。
尽管如斯，国内发布分享集群居品的数据库厂商仍然是少数，主要原因也曾分享集群架构的复杂性，以及内核架构的顺应性。
YashanDB之是以在其自研内核基础上不错快速推出分享集群也与此连络系，主要有两方面原因：
一方面，YashanDB弃取了自研内核引擎技巧门道，在数据库内核架构初期在事务引擎联想、MVCC、表索引存储等各个方面为往常的分享集群居品阵势打好了细致的基础，YashanDB内核架构是自然符合演进分享集群的。
另一方面，YashanDB通过自研的团聚内存技巧、集群文献系统、集群管束干事共同构建分享集群的架构体系。
YashanDB分享集群架构
YashanDB分享集群阵势（YashanDB for Cluster），是基于分享存储的多活集群，提供筹算/存储扩展和金融级高可用才气。通过自研Cohesive memory（团聚内存）中枢技巧，协同集群数据库各实例之间数据类资源的读写考查以及多样非数据类资源的并发松手。
图1 YashanDB分享集群架构图
YashanDB分享集群具备三大特质:
应用透明性：应用透明层面，用户层面无感知，用户结合随便实例不错考查并操作数据库所稀有据，可现实全量的DDL、DML操作。具体而言，单机撑执的契约、驱动、SQL兼容性、功能，集群下使用齐是没问题的。高性能性：每个节点对外提供的读写性能是十足平等的，多节点下的性能擢升是线性的。极致高可用：YashanDB从多个维度塑造高可用性，有集群管束软件层面的高可用仲裁，数据库实例的自动故障归附，自研文献系统层面的存储高可用，集群间的高可用等。
团聚内存技巧 Cohesive memory
团聚内存是分享集群架构的基础才气，YashanDB通过对数据缓存、数据字典缓存、锁等各类内存资源进行全局资源概括，弃取全局一致性哈希算法在多个实例间平衡管束全局资源，任一资源元数据在集群内具备独一性。每个数据库实例管束一部分全局资源的元数据信息。
图2 团聚内存组件相关
团聚内存通过以下时弊组件完周至局资源的协同与考查：
全局资源目次（GRC，Global Resource Catalog），提供全局资源元数据信息管束、考查才气，并通过全局请求列队机制管束数据块以及锁资源的请求，提供全局资源的并发考查松手。全局缓存干事（GCS，Global Cache Service），负责完成数据块在多个实例间的传输与失效，提供强一致的并发考查、修改才气。全局锁干事（GLS，Global Lock Service），提供集群下的全局并发松手的锁干事，主要包括数据字典锁、内存锁等。里面通讯干事（ICS, inter-connect serivce），提供集群里面消隔断互干事，是集群里面缓存和会的基础组件。
图3 团聚内存技巧时弊变装使命图
以数据块和会为例，团聚内存技巧界说了三种时弊的变装：
请求者：需要该数据块的实例。配合者：负责该数据块的现象信息管束的实例，它知谈该数据块的领有者是谁，以及领有者面前执有的锁类型，所稀有据库实例对该数据块的请求齐在配合者这里列队，步骤处理。领有者：该数据块的本色领有实例（指全局缓存中执有该数据块的最新版块的数据库实例），领有者可能是一个写锁执有实例，也可能是多个读锁执有实例。
一次典型的数据块考查，需要三个变安装合完成，请求扫尾后请求者变成新的领有者。
本色驱动期，单次数据块请求触及三种逻辑变装可能驱动在最多三台不同的物理主机上，通过最多不跳动四次网络音讯完成。
崖山集群干事 YCS
崖山集群干事（YCS，Yashan Cluster Service）是YashanDB自研的集群管束软件，提供节点管束、资源管束、资源监控和集群高可用仲裁等才气，为YashanDB分享集群的平安驱动添砖加瓦。
图4 YCS架构图及心跳计谋
YCS弃取平等架构联想，每个节点部署一套YCS干事，每个YCS管束一个YashanDB实例以及崖山文献系统YFS实例。YCS通过分享存储YCR盘获得集群的节点、资源信息等，并与其他节点确立通讯，管束资源等。同期各节点的YCS通过按期读写Voting Disk进行磁盘心跳。YCS弃取了多种心跳计谋，来确保实时感知到节点和资源现象变化，在出现格外时进行资源处理或脑裂仲裁。
崖山文献系统 YFS
崖山文献系统（YFS，Yashan File System）是YashanDB自研的用户态存储干事组件，提供了文献系统和磁盘组管束才气。
图5 YFS架构及层级管束
其重心包括了两部分：文献管束和卷管束。其有三大特质：
高性能
YFS绕过系统缓冲对磁盘斥地进行平直IO，以同步形势写入块斥地和平直读取块斥地，达到接近裸斥地的性能主见。在分享集群部署模式下，YFS管束挂载在各集群节点的分享磁阵，对外提供一致和高效的文献管束接口。完了分享集群多节点并发读写，充分开释集群系统的筹算才气。
兼容性
yfscmd客户端：进行基本的文献管束操作，与一般文献系统近似，举例目次或文献的创建、删除等。API接口：YFS还提供丰富的API接口，客户时弊（举例YashanDB）通过调用这些API现实存储管束，完了组件可插拔。YFS API兼容一般文献系统的大多数操作。
高可用性
数据高可用：YFS通过磁盘组（diskgroup）的形势管束磁盘斥地，里面通过多个故障组和多副本机制，撑执数据高可用。可确立的冗余级别，便捷用户笔据业务特征决定数据冗余度。干事高可用：当集群节点数发生变化或个别节点格外退出时，YFS可进行自动疗养，归附干事才气。一致/可靠性：YFS里面弃取了与DB沟通的redo和checkpoint机制，用于保证YFS现象的一致性和可靠性，因此当统共这个词集群发生格外重启时，系统概况自动从格外中归附干事。
YashanDB集群时弊内核技巧
前边也提到了YashanDB内核是自然符合分享集群的，在起初的内核架构联想选型时，在MVCC技巧、快照技巧以及事务引擎架构充分酌量了往常的分享集群阵势。
原地更新块级MVCC技巧
YashanDB综觉得议了三种MVCC决策：Append-only行级MVCC、原地更新行级MVCC、原地更新块级MVCC。连络每种MVCC决策的优劣，YashanDB弃取了原地更新的块级MVCC技巧。
图6 三种MVCC技巧架构图
Append-only行级MVCC：其特质是历史数据版块和面前数据版块在数据块内搀和存储。看上去管束简便，本色上带来问题却不少：
空间推广。跟着数据的变更，历史版块的垃圾数据会越来越多，存储性能齐带来了下落。扫描需要跳过那些历史版块的数据，查询性能受到影响。跟着历史版块累积，需要联想一套复杂的垃圾数据回收机制，代价雄壮。即使更新仅更新行的某一个列，也需要将统共这个词行拷贝。
原地更新行级MVCC：其和Append-only的分辨是将历史版块挪到了独处的Undo表空间进行管束，不错灵验的贬责空间推广问题。但这套决策一样存在问题：
行级MVCC意味着行上要存储事务信息以及UNDO地址，空间浪掷严重。其次其一致性读甩掉是无法复用的，每次读取一转齐需要考查面前版块页面，会形成面前版块无数的读写冲突。
YashanDB弃取了原地更新块级MVCC，在数据块中联想了物理的事务槽位SLOT，一致性读以数据块为单元进行，其优点有：
弃取原地更新形势，历史版块存储在Undo表空间内，数据不推广。行内不需要存储事务信息以及UNDO地址，幸免空间浪掷。查询一致性读页面，只考查一次面前版块页面，减少面前版块页面上的读写冲突。一致性页面按需缓存，重叠诓骗。以数据块为单元的MVCC还有个优点即是集群场景下按更鼎力度的数据块请求，而不需要按行请求，减少交互次数。数据块内联想物理事务槽位XSLOT，在缓存和会中事务信息自然跟着页面的传输而悠扬，不需要独特的全局内存锁松手，同期减少实例间的信隔断互，擢升考查后果。
基于时辰戳的快照技巧
另外一个时弊中枢的技巧选型即是快照技巧决策。YashanDB技巧选型对比了两种快照决策，一种是基于活跃事务的快照技巧，另外一种是基于时辰戳的快照技巧。
图7 基于时辰戳的快照技巧架构图
基于活跃事务的快照技巧的特质是：
每个会话每条语句查询齐需要加全局的锁，来获得一致性的快照，这种快照更近似于一个活跃事务的数组，需要锁定统共会话并纪录查询这一时刻的活跃事务ID，在高并发下容易成为全局瓶颈。使用快照进行可见性判断时，需要查表判断行上的事务与快照中事务的相关，在活跃事务列表中则不行见，大并发下影响判断后果。此外当这套联想扩展到分享集群或者散布式架构下时，全局快照的转机和生成的代价会急剧高潮，严重影响了系统的性能。
YashanDB弃取的是基于时辰戳的轻量级快照技巧，其特质如下：
弃取基于时辰戳的快照机制下，快照的管束绝顶简陋，仅为一个时辰戳，莫得全局查询锁。事务提交获得系统最新的时辰戳对应的SCN，动作事务提交的SCN。查询通过获得系统SCN动作查询的快照，通过比拟SCN大小判断可见性，大并发下现实后果短长常高的。况且这套决策在扩展到分享集群或散布式架构下不需要转机全局事务快照，系统具备极致的扩展性。
去中心化事务引擎技巧
事务引擎的联想决定了多个实例是不是不错作念到简直的平等，是不是不错作念简直的线性扩展。
关于分享集群架构下，数据是十足分享的，此时多实例之间势必存在事务的交互。而这种架构下的事务一般有两种决策，一个是中心化事务联想念念想，另外一种是去中心化事务联想。
图8 去中心化事务技巧架构图
中心化事务联想的特质是，其需要存在一个聚集的事务松手节点，致使聚集的锁松手节点。
统共的事务启动、提交等事务现象齐需要去松手节点上恳求，并同步到其他节点，需要作念到事务现象全局的实时同步。松手节点上事务处理高负载，多节点扩展性较差。非松手节点上的事务齐需要去松手节点上恳求，导致集群下多节点无法作念到简直平等，非松手节点性能较差。
YashanDB弃取的是去中心化的事务联想，其特质如下：
事务无中心节点，各实例事务ID具备全局独一性，事务腹地人命周期管束，不受其他实例影响。统共实例十足平等，多节点扩展性好。通过播送SCN以及语句查询同步SCN来完了多节点下的SCN同步，确保多实例间并发考查事务的一致性。
如上文先容，分享集群研发的难度在于它的存储组织以及各实例间的复杂交互，这会触及到中枢交游系统数据存储、事务处理等中枢底层机制。若是在开源技巧的基础上去开发，受限于其架构和技巧门道，常常很难完了分享集群这一阵势。
YashanDB对存储等底层机制和中枢技巧十足掌控，通过这些中枢决策的架构选型以及才气构建，概况快速构建分享集群架构并进行居品化落地，为用户提供平等透明多写才气，应用一语气性以及高可用才气，提供在高端中枢场景对国际主流数据库系统1：1平替的才气。