亿级流量下平滑扩容：TDSQL水平扩容 VS 垂直扩容

数据库水平扩容的背景和挑战

首先我们看水平扩容的背景。扩容的原因其实非常直观，一般来说主要是随着业务的访问量，或者是需要的规模扩大，而现有的容量或者性能满足不了业务的需求，主要表现在TPS、QPS不够或者时延超过了业务的容忍范围，或者是现有的容量不能满足要求了，后者主要是指磁盘或者网络带宽。一般碰到这种问题，我们就要扩容。扩容来说，其实比较常见的就是两种方式，一种是垂直扩容，一种是水平扩容。这两种有不同的特点，优缺点其实也非常明显。

1.1 水平扩容 VS 垂直扩容

首先我们看一下垂直扩容。垂直扩容，主要是提高机器的配置，或者提高实例的配置。因为，我们知道，大家在云上购买一个数据库或者购买一个实例，其实是按需分配的，就是说对用户而言，可能当前的业务量不大，只需要两个CPU或者是几G的内存；而随着业务的增长，他可能需要对这个实例进行扩容，那么他可能当前就需要20个CPU，或者是40G的内存。这个时候，在云上我们是可以通过对资源的控制来动态地调整，让它满足业务的需求——就是说可以在同一台机器上动态增加CPU。这个扩容的极限就是——当整台机器的CPU和内存都给它，如果发现还不够的话，就需要准备更好的机器来进行扩容。这个在MySQL里面可以通过主备切换：通过先选好一台备机，然后进行数据同步；等数据同步完成以后，进行主备切换，这样就能利用到现在比较好的那台机器。大家可以看到，这整个过程当中，对业务来说基本上没有什么影响——进行主备切换，如果换IP的话，其实是通过前端的或者VIP的方式，对业务来说基本上没有什么影响。那么它一个最大的不好的地方就是，它依赖于单机资源：你可以给它提供一个更好的机器，从而满足一定量的要求。而随着业务更加快速的发展，你会发现现在能提供的最好的机器，可能还是满足不了，相当于扩不下去了。因此，垂直扩容最大的缺点就是，它依赖于单机的资源。

跟垂直扩容对比，另外一种方式我们叫水平扩容。水平扩容最大的优点是解决了垂直扩容的问题——理论上水平扩容可以进行无限扩容，它可以通过增加机器的方式来动态适应业务的需求。

水平扩容和垂直扩容相比，它可以解决垂直扩容的问题，但是会引入一些其他的问题。因为水平扩容比垂直扩容更加复杂，下面我们分析下可能遇见的问题，以及后面我们会介绍TDSQL的解决方案：

首先，在垂直扩容里面，系统经过扩容以后，其实数据总体来说还是存在一个节点，一主多备架构中，备机上也存储着所有数据。而水平扩容过程中数据会进行拆分，面临的第一个问题是，数据如何进行拆分？因为如果拆分不好，当出现热点数据时，可能结果就是，即使已经把数据拆分成很多份了，但是存储热点数据的单独节点会成为性能瓶颈。
第二点，在整个水平扩容过程中，会涉及到数据的搬迁、路由的改变。那么整个过程中能否做到对业务没有感知？或者是它对业务的侵入性大概有多少？
第三，在整个扩过程中，因为刚才有这么多步骤，如果其中一步失败了，如何能够进行回滚？同时，在整个扩容过程中，如何能保证切换过程中数据高一致性？
再者，在扩容以后，由于数据拆分到了各个节点，如何能保证扩容后的性能？因为理论上来说，我们是希望我随着机器的增加，性能也能做到线性提升，这是理想的状态。实际上在整个水平扩容的过程中，不同的架构或者不同的方式，对性能影响是比较大的。有时候会发现，可能扩容了很多，机器已经增加了，但是性能却很难做到线性扩展。
同样的，当数据已经拆分成多份，我们如何继续保证数据库分布式的特性？在单机架构下，数据存储一份，类似MySQL支持本地做到原子性——可以保证在一个事物中数据要么全部成功，要么全部失败。在分布式架构里，原子性则只能保证在单点里面数据是一致性的。因此，从全局来说，由于数据现在跨节点了，那么在跨节点过程中怎么保证全局的一致性，怎么保证在多个节点上数据要么全部写成功，要么全部回滚？这个就会涉及到分布式事务。
所以大家可以看到，水平扩容的优点很明显，它解决了垂直扩容机器的限制。但是它更复杂，引入了更多的问题。接下来大家带着这些问题，下面我会介绍TDSQL如何进行水平扩容，它又是如何解决刚才说的这些问题的。

2 TDSQL水平扩容实践

首先我们看一下TDSQL的架构。TDSQL简单来说包含几部分：

第一部分是SQL引擎层：主要是作为接入端，屏蔽整个TDSQL后端的数据存储细节。对业务来说，业务访问的是SQL引擎层。
接下来是由多个SET组成的数据存储层：分布式数据库中，数据存储在各个节点上，每个SET我们当做一个数据单元。它可以是一主两备或者一主多备，这个根据业务需要来部署。有些业务场景对数据安全性要求很高，可以一主三备或者一主四备都可以。这个是数据存储。
还有一个是Scheduler模块，主要负责整个系统集群的监控、控制。在系统进行扩容或者主备切换时，Scheduler模块相当于是整个系统的大脑一样的控制模块。对业务来说其实只关注SQL引擎层，不需要关注Scheduler，不需要关注数据是怎么跨节点，怎么分成多少个节点等，这些对业务来说是无感知的。

整个扩容流程大家可以看一下：一开始数据都放在一个Set上，也就是在一个节点里面。那么扩容其实就是会把数据扩容到——这里面有256个Set，会扩容到256台机器上。整个扩容大家可以看到有几个要点：

一开始虽然数据是在一个节点上，在一台机器上，但是其实数据已经进行了拆分，图示的这个例子来说是已经拆分成了256份。
水平扩容，简单来说就是把这些分片迁移到其他的Set上，也就是其他的节点机器上，这样就可以增加机器来为提供系统性能。
总结起来就是说，数据一开始已经切分好了，扩容过程相当于把分片迁到新的节点，整个扩容过程中，节点数是增加的，可以从1扩到2扩到3，甚至扩到最后可以到256，但是分片数是不变的。一开始256个分片在一个节点上，扩成两个节点的话，有可能是每128个分片在一个节点上；扩到最后，可以扩到256个节点上，数据在256台机器，每台机器负责其中的一个分片。因此整个扩容简单来说就是搬迁分片。具体细节我们后面会讲到。

在私有云或者是公有云上，对整个扩容TDSQL提供了一个统一的前台页面，用户在使用的过程中非常方便。

我们看一下这个例子。现在这个案例中有两个Set，也就是两个节点，每一个节点负责一部分的路由，第一个节点负责0-31，另一个名字是3，负责的路由信息是32-63。现在是两个节点，如果要进行扩容，在前台页面上我们会有一个“添加Set”的按纽，点一下“添加Set”，就会弹出一个对话框，里面默认会自动选择之前的一个配置，用户可以自己自定义，包括现在这个Set，需要多少资源以及内存、磁盘的分配等。

此外，因为扩容要进行路由切换，我们可以手动选择一个时间，可以自动切换，也可以由业务判断业务的实际情况，人工操作路由的切换。这些都可以根据业务的需要进行设置。

第一步创建好以后，刚才说大脑模块会负责分配各种资源，以及初始化，并进行数据同步的整个逻辑。最后，大家会看到，本来第一个节点——原来是两个节点，现在已经变成三个节点了。扩容之前，第一个节点负责是0-31，现在它只负责0-15，另外一部分路由由新的节点来负责。所以整个过程，大家可以看到，通过网页上点一下就可以快速地从两个节点添加到三个节点——我们还可以继续添加Set，继续根据业务的需要进行一键扩容。