TiDB 官方设计文档翻译（一）

TiDB是新兴的NEWSQL数据库，由国内的PINGCAP团队研发。
有关于TiDB的架构、部署和运维，官方有中文的文档，链接是：
https://github.com/pingcap/docs-cn

官方还有另外一份文档，讲的是TiDB和TiKV的设计思想和技术细节，个人很喜欢，但是用英文写的。这里提供该文档的翻译。
这个系列共三篇译文：
TiDB 官方设计文档翻译（一）
TiDB 官方设计文档翻译（二）
TiDB 官方设计文档翻译（三）

原文：
https://pingcap.github.io/blog/2016/10/17/how-we-build-tidb/

1 什么是TiDB

TiDB是一个分布式SQL数据库，灵感来自Google的F1和Spanner。TiDB汲取了传统RDBMS（译者注：关系型数据库）和NoSQL的优点。

• 水平伸缩——TiDB 可随着你的业务增长而伸缩，只需要通过增加更多的机器，就可以满足业务增长；
• 异步的 schema 调整——根据需求队TiDB scheme 进行调整，添加列和索引不会影响进行中的操作；
• 一致性的分布式事务——可以把 TiDB 当作一个单机的 RDBMS，事务可以横跨多个服务器之间，无需担心一致性问题。TiDB 让你的应用代码简单可靠；
• 与MySQL协议兼容——你可以像使用 MySQL 一样来使用 TiDB，也就是说，可以在应用中使用 TiDB 来替换 MySQL ，而绝大多情况下无需修改一行代码；
• 使用Go语言——尽情享受Go带来的便利吧。Go语言简单容易上手，而且有极高的运行效率，嵌入代码库也十分方便；
• 建立在TiKV基础之上的NewSQL——有关于TiKV，后面的翻译中会详细介绍
• 多存储引擎支持——你可以在 TiDB 中使用你熟知的存储引擎，单机模式下支持大多数引擎，包括 goleveldb, LevelDB, RocksDB, LMDB, BoltDB ，未来还会支持更多

2 为什么要重新做一个数据库

在开始介绍之前，我们回到原点，问自己一个问题：为什么要重新做一个数据库。我们都知道，已经有很多成熟的数据库了，例如传统的关系型数据库和NoSQL。为什么我们不采用这些方案？
- 关系型数据库，例如MySQL，Oracle，PostgreSQL等，伸缩性很差。尽管我们可以有分片的解决方案，例如Youtube的vitness，MySQL代理，但是他们都不能满足分布式事务和跨节点的连接（join）。
- NoSQL，例如HBase，Mongo DB和Cassandra，伸缩性不错，但是不支持SQL和一致性事务。
- NewSQL，代表是Google Spanner和F1，和NoSQL系统一样具有良好的伸缩性，也保留了ACID事务。这才是我们所需要的。受到Google Spanner和F1的启发，我们决定做一款开源的NewSQL数据库。

3 做怎样的数据库

我们要做的NewSQL数据库，必须有下面的功能：
- 首先，支持SQL。我们用SQL很多年了，而且许多应用都是基于SQL的，弃之可惜，代价也太大；
- 第二，必须有良好的伸缩性。只需要加入更多的机器，就可以增加性能或者实现负载均衡；
- 第三，支持ACID事务，这是传统的关系型数据库最大的优点之一。有了强一致性保证，开发者可以用更少的代码保证逻辑的正确；
- 最后，满足高可用，机器故障，甚至是整个数据中心宕机，都应该可以自动恢复。

总之，我们要做一个分布式、一致性、可伸缩的SQL数据库，取名为TiDB。

4 如何设计？

现在我们弄清了要做一个怎样的数据库，下一步是如何设计、开发和测试。

接下来一节中，首先介绍如何设计TiDB，包括设计原则、架构和决策。

4.1 设计原则

在开始设计之前，必须清楚一些设计原则：

• TiDB必须是面向用户的。不能丢失数据，系统可以从机器甚至整个数据中心的宕机中自动恢复；易于使用；跨平台，可以运行在任何环境中，无论是在本地，云或者容器中；作为开源项目，我们希望有一个活跃的大社区，来一起讨论、参与和协作贡献。
• 必须易于维护，因此我们选择了低耦合。这个数据库应该高度分层，包括SQL层和key-value层。如果SQL层出现了bug，只需要更新SQL层即可。
• 替代方案——虽然我们的项目灵感来自于Google Spanner和F1，但并不完全相同。设计TiDB和TiKV过程中，我们选择不同技术的时候，有自己的实践和决策。

4.1.1 容灾

首要的设计原则是建立一个数据不会丢失的数据库。 为了确保数据的安全，我们发现多个副本是不够的，我们仍然需要在SQL层和key-value层维护Binlog（二进制日志）。 当然，我们必须确保有一个备份，以防整个集群崩溃。

4.1.2 易于使用

第二个设计原则是关于可用性。 经过多年在不同的解决方案之间的权衡，我们完全意识到用户的痛点。 因此，当我们设计一个数据库时，我们将使它易于使用，并且应该没有令人头疼的分片键，没有分区，没有明确的手工本地索引或全局索引，并使让系统伸缩对用户完全透明。

4.1.3 跨平台

这个数据库还需要跨平台。 数据库可以在本地设备上运行。 下图展示了TiDB运行在有20个节点的树莓派集群。

它还可以支持流行的容器，如Docker。 我们正在与Kubernetes合作。 当然，它也可以在任何云平台上运行，无论是公共的，私有的还是融合的。

4.1.4 社区和软件生态

下一个设计原则是关于社区和软件生态。 我们想站在巨人的肩膀上，而不是创造出全新的令人陌生的产品。 TiDB支持MySQL协议，与大多数MySQL驱动程序（ODBC，JDBC）、SQL语法、MySQL客户端、ORM、下列MySQL管理和bench工具兼容。
- etcd——etcd是一个伟大的项目。 在我们的键值存储TiKV中（后面会详细介绍），我们一直与etcd团队密切合作。 我们共享Raft实现，并且互相进行Raft模块代码审查；
- RocksDB——RocksDB也是一个伟大的项目。 成熟，快速，可调谐，并广泛应用于大规模的生产环境，尤其在Facebook。 TiKV使用RocksDB作为本地存储。 当我们在系统中测试时，发现了RocksDB的一些bug。 RocksDB团队后来很快地修复了；
- Namazu——几个月前，我们需要一个工具来模拟速度慢而且不稳定的磁盘，团队成员发现了Namazu。 但是那时候，Namazu不支持hooking fsync。 当团队成员将此请求提交给Namazu的团队时，他们立即回复并在短短几个小时内实现该功能，他们也非常愿意实现其他功能。 我们对他们的反馈速度和效率印象深刻；
- Rust社区——Rust社区是惊人的。 除了使用Rust的良好开发经验之外，我们还在Rust中构建了Prometheus驱动程序以收集指标。我们很高兴成为这个大家庭的一部分。 非常感谢Rust团队，gRPC，Prometheus和Grafana。
- spark连接器。我们在TiDB中使用Spark连接器。 TiDB非常适合小型或中型查询，Spark更适合具有大量数据的复杂查询。 我们相信我们也可以从Spark社区学到很多，当然我们希望尽可能多地贡献。

因此，总体来说，我们希望成为大型开源社区的一员，并愿意参与，贡献和合作，一起构建伟大的开源产品。

4.2 低耦合 - 逻辑架构

下图显示了数据库的逻辑架构。

正如我前面提到的设计原则，我们采用松耦合方法。 从图中我们可以看出TiDB是高度分层的。 我们有TiDB作为MySQL服务器，TiKV作为分布式Key-Value层。 TiDB内部，分为MySQL Server层和SQL层。 在TiKV内部，分为事务，MVCC，Raft和本地键值存储（RocksDB）。

对于TiKV，我们使用Raft协议来保证数据一致性和水平伸缩性。 Raft是一个一致性算法，在容错和性能可以媲美Paxos。 我们从etcd移植了广泛使用的实现方法，容易测试并且高度稳定。 稍后将介绍技术细节。

从架构中，你也能看到，并没有分布式文件系统。我们使用RocksDB作为本地存储。

4.3 替代方案

在接下来的几节中，我将讨论与Spanner和F1相比，使用替代技术的设计决策，以及这些替代方案的利弊。

4.3.1 原子钟/ GPS时钟 VS TimeStamp Allocator

如果阅读过Spanner论文，你可能知道Spanner有TrueTime API，它使用原子钟和GPS接收器来保持不同数据中心之间的时间一致。

我们选择的第一种替代技术是用TimeStamp Allocator替换TrueTime API。 毫无疑问，实时性在分布式系统中至关重要。 但是我们能得到实时吗？ 时钟漂移怎么办？

可悲的是，即使我们使用GPS或原子钟，因为时钟漂移，也不能得到完全准确的时间，

在TiDB中，我们没有使用原子钟和GPS时钟。 我们使用Percolator（2006年Google发布的一篇文章）中引入的Timestamp Allocator。

使用Timestamp Allocator的优点是易于实现，并且不依赖于任何硬件。 缺点在于，如果存在多个数据中心，特别是如果这些数据中心跨地区分布，延迟会很高。

4.3.2 分布式文件系统 VS RocksDB

Spanner使用Colossus文件系统作为其分布式文件系统，Colossus是Google文件系统（GFS）的继承者。 但是在TiKV中，我们不依赖于任何分布式文件系统。 我们使用RocksDB。 RocksDB是一个可嵌入的快速持久化键值存储。 RocksDB的最大优点是其针对服务器工作负载的卓越性能。 很容易调整读、写和放大空间。 非常简单、快速和容易调整。 但是，与Kubernetes协同工作并不容易。

4.3.3 Paxos VS Raft

下一个选择是使用Raft一致性算法代替的Paxos。Raft的主要特点是：强有力的领导者，领导者选举和成员的变化。 我们从etcd移植了Raft实现方法。 优点是易于理解和实现，广泛使用并且便于测试。 至于缺点，目前还没发现。

4.3.4 C ++ VS Go＆Rust

至于编程语言，TiDB使用Go语言，TiKV使用Rust。 我们选择了Go，因为它对快速开发和并发非常有利，而Rust可以实现高质量和性能保障。 至于缺点，没有那么多的第三方库。

上文介绍了设计TiDB的过程中，使用替代技术的原则、架构和设计决策。 下一步是开发TiDB。

说明
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