一、引言
本届中国数据库技术大会（DTCC2021），不管是公有云数据库厂商，还是传统数据库厂商，都在关注云原生的技术实践，分享了很多存算分离、DBaaS、Kubernetes等与数据库深度结合的案例。在NoSQL专题会场，热度最高的一场演讲来自华为云数据库团队，由广入深，干货满满。本文整理自华为云数据库NoSQL架构师余汶龙的专题分享——云原生多模数据库GaussDB NoSQL架构设计，总结了当前数据库的发展趋势、GaussDB NoSQL关键技术解密以及核心竞争力。
二、数据库发展趋势
1.行业市场
中国信通院最新研究透露出两个重要信息：
- 未来几年，中国数据库市场将保持23.4%的年复合增长率，中国数据库市场在全球的份额，将从2020年的5.2%提升到12.3%；
- 中国的国产数据库产品虽然以关系型为主，非关系型为辅，但从2000年以后，以图、时序等为代表的非关系型产品发展势头越来越好，截止2020年底，国产NoSQL数据库厂商已经占到了40%。
2.行业趋势
受大环境的影响，国内金融、电信、政企等行业为防止潜在的供应链风险，技术层面存在国产化需求，这使得我们的国产数据库产业进入蓬勃发展的初期。
但我国数据库行业发展还面临2个核心问题：
- 如何缩小“高要求的存量数据应用”与“仍处于发展初期阶段的供给能力”之间的差距；
- 如何匹配“创新型数据应用”与“数据库技术演进”的合理映射关系。
如何回答上述两个问题，可以从中国信通院最新的趋势总结里找到答案：“多模实现一库多用，简化开发运维成本”、“云原生降低硬件依赖，更方便的享受新兴技术红利”。
因此，为了更好的兼容历史数据应用（比如原先用Redis），并支持好未来的创新应用（新增Influx），可以在多模与云原生领域提前做好相关布局。
3.云原生数据库演进方向
数据库的发展，按传统物理机部署到云化，大概经历了三代。
- 第一代是纯物理机、裸硬盘部署，从业人员必须关心硬件的各种细节，包括机型、系统、硬盘、组网等等；
- 第二代是云化的初级阶段，从业人员把数据库部署从物理机，迁移到虚拟机VM，把物理硬盘，换成了云盘EVS。但这一代有个明显的缺点，EVS是个3副本可靠的服务，再加上数据库自身的高可用，那么存储成本就放大了3倍；并且备机其实是资源浪费的，没有提供服务；
- 第三代是云化的高级阶段，这个阶段将数据库的资源，彻底分成存储和计算两层，其中计算资源部署在更轻量级的容器之上，而存储资源部署在分布式存储池之上。很显然，这是与云原生结合更彻底的方式，充分享受了架构的弹性、便捷，而且轻松实现了多点读写的全负荷分担能力。
4.存算分离，分而治之
云原生数据库有两个重要的特点。首先是存算分离。
存算分离是一种分层的设计思想，从逻辑到功能进行明确的划分：
- 计算层更聚焦服务、产品、协议处理等事件；
- 存储层更聚焦数据本身的复制、安全、扩缩容等等。
5.多模归一，一生万物
云原生数据库第二个重要的特点，是多模。
多模实际上是一种“归一”，也是一种“派生”。以大家熟悉的NoSQL为例，MongoDB是有Mongod/Mongos/Config等组件，而对应的Cassandra其实也有Coordinate Node/Data Node等组件。虽然这些组件名字不同，但背后做的事情是一样的，即：集群管理、副本管理、扩缩容管理、以及管控等功能。
其实，完全可以把这些功能抽象成统一的架构，即“多模归一”。在这套统一架构之上，我们再新增别的引擎就很容易了。可以快速复用当前的成熟架构，提供不同的协议接口即可，即“一生万物”。
6.GaussDB NoSQL概况
接下来介绍这次分享的主角——云原生多模数据库GaussDB NoSQL。
当前GaussDB NoSQL已经支持MongoDB、Cassandra、Redis、InfluxDB等4款引擎；全球客户1000+，足迹遍布金融、政府、电信、互联网等行业；总数据量超过10PB，每日新增超过10TB。
三、GaussDB NoSQL关键技术
1.Compaction卸载
GaussDB NoSQL采用LSM做存储引擎，正常情况下，前台的读写会受到后台的Compaction任务的影响，从而导致时延抖动。
因此，我们设计了单独的Compaction任务节点，通过共享的方式，访问用户的数据并进行Compact，再将Compact的结果应用到用户的可见版本中。这样做的话，就将用户前台的IO和后台IO分离，解决了时延抖动问题。
2.Flush卸载
根据LSM引擎的写入流程，可以知道，一个数据要写入DB中，需要经历两次IO：
- 写WAL
- flush memtable
而这两次IO写的其实是相同数据，完全可以省掉一次。因此，我们借助共享存储的能力，独立出一个后台任务节点。当用户前台节点需要flush memtable的时候，由后台任务节点读取WAL，并转化成L0层的SST，再应用版本，并通知前台删除memtable。这样就极大节省了用户前台的IO开销。
3.分裂
GaussDB NoSQL在分片策略上，采取的是Hash + Range的结合方式，因此扩容或处理热点的时候会很灵活。
比如，当chunk数量足够多时，只需要移动chunk就可以扩容；而当某个chunk成为访问热点时，对它做分裂就可以解决局部热点问题。
4.3AZ容灾
作为数据库产品，容灾特性是很重要的，它可以避免极端情况给用户业务带来的灾难性损失。
GaussDB NoSQL有统一的容灾设计，即存储和计算可以实现3AZ部署，同时存储层数据实现3副本强一致复制。因此在任意时间，挂掉了任意机房的存储，都不会丢数据；而挂掉计算，也会被其他AZ的计算节点接管元数据，不会让访问完全中断。
四、以Redis为例看GaussDB竞争力
接下来，以使用最广泛的NoSQL引擎Redis为例，具体介绍GaussDB NoSQL的优势。
1.强一致
社区版Redis，主从复制是异步的，容易造成数据堆积，也有宕机丢数据风险。
GaussDB(for Redis)（下文简称高斯Redis）则是采用强一致同步的，当用户的数据写入高斯Redis并收到返回OK，这意味着高斯Redis已经实现了强一致的复制，数据的安全性很高。当然，这里的复制过程采用了组提交、用户态文件系统、RDMA等技术来降低同步复制的时延。
2.高可用
高斯Redis的数据存储是共享的，即Shared Everything，因此可以容忍最多N-1个节点故障，而不影响数据的访问。
3.弹性伸缩
高斯Redis实现了分层弹性，将资源准确的划分成计算资源、存储资源，真正做到了按需扩容：
- 当用户的计算不足时，只需要扩展计算节点；
- 当存储空间不够时，只需要扩展存储空间。
同时，扩容过程也足够流畅：
- 计算扩容的过程，不需要拷贝数据，只需要修改路由映射即可，对业务侧的影响很小；
- 存储扩容更简单，只需要修改配额即可，对业务侧零影响。
所以计算、存储的扩容都足够轻量级，可极速完成且对业务干扰极小。
4.全负荷分担
存算分离的设计，让我们把数据复制交给了存储，计算层则完全解放。
每个节点都可以承担用户的读写请求，这跟开源Redis的主上读写来比较，实现了2倍扩展。
五、总结
- 云原生是技术趋势
云原生是大势所趋，越来越多厂商和从业者都在提倡云原生。
华为云GaussDB NoSQL不仅仅基于云原生，还实现了多模架构，实现了多副本强一致、高可用、弹性伸缩、高性能等能力，以及具备资源复用、开发运维统一等好处。
- 华为云GaussDB NoSQL提供超融合数字化解决方案
华为云GaussDB NoSQL提供了成熟的多模特性：
- 提供高并发、低时延的Redis，助力秒杀、推荐、热搜等场景；
- 提供大容量、高频写的Cassandra，助力海量存储以及检索等场景；
- 提供非结构化、灵活扩展的MongoDB，助力大数据分析、交易等场景；
- 提供时序特征的InfluxDB，助力边缘计算、工业生产、实时监控等场景。
以上场景涵盖数字工业的方方面面，提供了完整的一体化解决方案，方便用户一站式使用。
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本文由华为云发布