简介： 2003 年淘宝网成立之后，业务飞速发展，其后台架构也进行了多次迭代。2009 年之前，淘宝网后台的数据库架构是经典的 IOE 组合。IOE 是指 IBM 的小型机、 Oracle 的数据库加上 EMC 的高端存储。这套组合成本高昂，但依然无法满足淘宝网对于高并发、大容量的扩展性需求。
好的 MySQL 兼容性可以做到什么程度
PolarDB-X 如何做生态兼容
——吴学强（燧木）
阿里云数据库高级技术专家
了解更多PolarDB-X 内容：https://developer.aliyun.com/...
众所周知，数据库是基础的软件系统，而基础的软件都有自己的生态。生态的构建有两种范式，第一种范式是从 0 到 1 的构建，第二种是基于已有的生态继续演化。
分布式数据库是数据库领域的热门方向，目前已有非常多的开源项目。这些开源的项目大多都选择了第二种方式，即从已有的 MySQL 或 Oracle 生态进行自己的生态构建。
而采用第二种方式，就不得不考虑与已有生态的兼容性。兼容性并不是0 和 1 的二分区别，用兼容度来表达会更客观。作为新的数据库，更应该关注的是它解决了什么新的问题或是带来了什么新的特性。
一、为什么要兼容 MySQL
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2003 年淘宝网成立之后，业务飞速发展，其后台架构也进行了多次迭代。2009 年之前，淘宝网后台的数据库架构是经典的 IOE 组合。IOE 是指 IBM 的小型机、 Oracle 的数据库加上 EMC 的高端存储。这套组合成本高昂，但依然无法满足淘宝网对于高并发、大容量的扩展性需求。
为了解决这两个问题， 2009 年，淘宝发起了“去 IOE” 运动，其目标是用自研的分库分表中间件 TDDL 加自己维护的 MySQL 分支 AliSQL 来替换 IOE 组合。这套架构在 2011 年双 11 大促的时候，成功接管了交易的核心库之一——商品库，从而验证了 TDDL +AliSQL 方案的可行性。
伴随着此套方案的普及，“去 IOE” 活动在 2013 年正式结束，TDDL +AliSQL 组合成为了阿里巴巴所有业务接入数据库的标准。
同时因为 TDDL +AliSQL 组合，即分库分表中间件+ MySQL 方式在阿里的成功验证，其他国内互联网厂商也都紧随其后，分库分表中间件的方案在国内得到了普及。
2015 年，TDDL 以中间件的形态在阿里云上发布，名为 DRDS ，即分布式关系型数据库。
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此后，DRDS 继续迭代。迭代过程中，也尝试解决了中间件形态几个比较大的问题。 2016 年，通过外部系统来尝试解决此形态下扩容的问题。2017 年，基于 MySQL XA 实现了内置的分布式事务能力。2018 年，为了解决此组合的运维复杂度，进行了产品形态上一体化设计的尝试。2019 年，阿里对过去 10 年的技术实践和 5 年的上云经验进行了重新思考，并对产品架构做了全新的梳理和设计。
2020 ，阿里发布了全新一代的产品架构，并将 DRDS 产品品牌升级到了 PolarDB-X。在 2021 年云栖大会，PolarDB-X 正式对外开源。
回顾产品发展的历史，可以得出两个显而易见的结论：PolarDB-X 产品的出发点就是 MySQL ，因此产品后续的迭代都是以兼容 MySQL 作为目标之一；
第二，通过近 10 年的不断探索，从中间件形态到分布式数据库形态，并没有不可跨越的技术鸿沟。
二、怎么做兼容：以 CDC 为例
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CDC（Change Data Capture） 即增量数据捕捉，用来解决一些特定的业务问题。
后台系统一般可以分为上层业务系统和下层数据库系统。业务最原始的数据都存在数据库系统中。一份重要数据有很多问题需要考虑，其中之一便是如何解决数据孤岛的问题——如果想进一步挖掘这份数据的价值，如何将它与其他生态系统进行互通？
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MySQL 通过 Binlog 特性来打通与下游工具或系统的互通。Binlog 可以简单地理解为单一的队列，队列按照时间顺序严格记录了 MySQL 里面所有数据的变更过程。下游工具或系统通过消费队列来实时获取到 MySQL 里数据的变更。
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PolarDB-X 提供 CDC 能力，首先需要考虑能否提供完全兼容 MySQL Binlog 的 CDC 能力。在分布式系统中提供上述能力，会面临若干问题，而这些问题都由同一个原因引起。
分布式数据库系统中通常有多个计算节点和存储节点，如上图所示的 CN 和 DN 节点。多个节点会产生多个事件队列，会面临以下几个问题：
① 在不同队列里，事件之间的顺序如何确定？
② 通常分布式事务会涉及到多个队列，如何找到分布事务包含的所有增量事件，以保证分布式事务的完整性？
③ 分布式系统中， DDL 操作不可能在所有 CN 或 DN 节点中同时生效，也就意味着在若干个增量的事件队列里，可能会存在不同版本的 schema ，如何解决？
④ 分布式系统很大的特点就是弹性，自动扩缩容所引发的事件队列的增减问题如何处理？
针对以上问题进行非常详细的分析之后，我们最终得出的结论是：这些问题可解，但代价较高，而最终工程量在可接受范围之内。因此，我们将 CDC 这项能力的目标设计为保持与 MySQL Binlog 的体验完全一致。
实现此功能后， MySQL 能够订阅 Binlog 的工具或系统，可以从 MySQL 无缝切换到 PolarDB-X，这项能力被称为 Global Binlog (全局 Binlog)。
全局 Binlog 能力已于 2021 年云栖大会发布。此后我们进行了持续迭代，包括稳定性相关的继续优化、性能的优化且验证了更多下游工具或系统。
以 Flink CDC 为例，Flink CDC 已经提供了 MySQL Connector 的连接方式。因为 PolarDB-X 提供了一种与 MySQL Binlog 完全兼容的全局 Binlog 能力，所以可以将 Flink CDC 的 MySQL Connector 直接与 PolarDB-X 进行互通。
最终，从产生接入的想法，到 Flink CDC 的 github 上出现支持 PolarDB-X 数据库作为源端，整个过程只花费不到一周的时间，充分证明了做到与 MySQL Binlog 完全兼容之后带来的便利性。
Global Binlog 与 Flink CDC 连接演示——双十一交易大屏模拟
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去年在云栖大会开源之后到现在，我们的工作又有了一些进展。上图橙色部分是已经在 2.1 版本里实现的新功能，主要是对下游工具或系统的验证。
下一步，我们会验证更多工具，尝试支持 GTID，以及实现 Binlog 多流的能力。
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前文解决了数据库下游的问题，上游的问题也不可忽视。
分布式数据库是用来处理特定的情况下，比如其高并发或扩展性遇到问题的数据库类型，这也意味着业务在上线之初，通常采用单机形态的数据库。而从原来的单机数据库往分布数据库迁移或切换时，如何平滑、有效地完成迁移，也是不得不考虑的问题。
MySQL 实现平滑迁移，主要通过其原生的主备复制能力，以保持主节点和备节点之间的实时增量同步，即 replication 能力。它所用的 SQL 指令为change master 。
而如果 PolarDB-X 提供同样的能力，是否可行？
经过分析之后，我们认为可行，但有一定的工程量。因此，最后结论依然是提供与 MySQL 完全兼容的复制能力，称为 Replica 。
Replication 演示
本次演示以 MySQL 为主,PolarDB-X 为备，搭建一条主备同步链路，以展示 PolarDB-X 的 Replica 能力。
以上，这两个例子就是 PolarDB-X 开源后在 MySQL 兼容方向上新加入的一些能力。
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PolarDB-X Replication 拥有如下特性：
① 产品体验上，能够支持 MySQL 原生的 change master 指令，即可以在 PolarDB-X 里直接输入 change master 指令来搭建 MySQL 到 PolarDB-X 主备同步链路。
源端也支持以 PolarDB-X 作为主库，意味着可搭建 PolarDB-X 到 PolarDB-X 主备同步的链路。支持 DDL 同步，以及支持事务复制、行级复制，用户可以在性能和事务的完证性两个方面进行选择。
② 性能方面，单条复制链路目前支持 1.5 万 RPS ，没有大事务等特殊场景下，支持 1 秒以内的同步延迟。
③ 目前已验证的上游系统包括 MySQL/ MariaDB 和 PolarDB-X，后续会尝试验证其他系统。
下一步，我们的工作主要将围绕以下三方面开展：接入多流能力，使得PolarDB-X 和 PolarDB-X 之间的同步链路有更强的性能增强；适配 global Binlog 的 GTID 能力，使得同步链路在事务复制时可以支持并行复制能力；适配更多源端。
三、完全兼容 MySQL 吗
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MySQL 是非常复杂的系统，可以将其拆解为若干特性或功能项，再进行逐项分析。
首先，特性的重要性如何？上图中以扇形对应的角度来表示；其次，PolarDB-X 在这项能力上对 MySQL 的兼容程度有多少？上图中以扇形半径来表示。如果 PolarDB-X 做到了与 MySQL 特性完全兼容，扇形的半径应该与外面圆的半径相等；如果只做到部分兼容，则扇形离圆的边缘有一部分空白；如果目前 PolarDB-X 还不支持此特性，则对应的扇形为空白。
上图显示了评估后的结果。可以看出 PolarDB-X 在基础能力的兼容性上总体表现不错；高级特性也兼容了很大一部分，但是有部分特性依然不兼容。
PolarDB-X 的目标并不是完全兼容 MySQL，而在于上图的下半部分圆—— PolarDB-X 对 MySQL 数据库更多能力的增强或新增。比如并发的读/写、存储容量、单表的容量、弹性、高可用和容灾、HTAP 、企业级特性等能力，相对 MySQL 都有了非常大的增强。
四、进入 Kubernetes 生态
PolarDB-X 也是云原生的数据库，而云原生以 K8S 为底座。
因此， PolarDB-X 在 K8S 上也做了非常多工作，比如基于 K8S 进行了资源的编排、构建了 CICD 流程、进行混沌测试等。
2021年云栖大会，我们开放了最基础的 PolarDB-X Operator 能力。而 PolarDB-X 2.1 最新版新增了基于 Prometheus+Grafana 监控的系统，增强了可观测性。
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上图为监控系统页面截图，展示了系统的资源、QPS等丰富的监控维度。用户可以在 github 仓库上下载、安装和体验。
另外，我们对 Operator 也进行了持续迭代。此前提供的 Operator 只具备基本实例生命周期的管理能力，比如实例的创建、销毁等。后续已新增比如扩缩容、升降配、数据自动 rebalance 等能力。
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在 K8S 方向上，我们还有丰富的规划。上图展示了后续计划的工作。
绿色部分是目前已经完成的，用户可以通过开源仓库进行体验：
生命周期管理上，提供实例的创建、删除、升降级等；
弹性上，支持实例的水平扩缩容、垂直扩缩容、数据rebalance 等；
高可用和容灾上，支持 CN 高可用、 DN 高可用、GMS 高可用、CDC 高可用等；
监控上：支持支持 CN 监控、 DN 监控、GMS 监控等。
黄色部分代表当前正在研发的能力，比如备份恢复、SQL审计、 Dashboard 、数据透视等。
白色部分代表未来更长期的规划，比如国产化、参数设置功能等。
以上就是我们在云原生能力上的一个规划，后续也会有节奏的开放给用户使用。
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