Spanner技术分析

Spanner的论文已经公布几个月了，技术网站上已经有不少的分析文章。为了更深入的从工程角度理解Spanner，我最近又重新对论文中设计的关键技术细节进行了分析。主要的参考仍然来自于Google Research公布的OSDI 2012上的Spanner论文以及演讲材料。本文的重点是介绍Spanner的TrueTime和分布式事务两项核心功能

1 Spanner模型

1.1 部署模型

Spanner有一套复杂的数据部署模型，以下是论文中描述的一些关键单元

• directory（目录），是具有连续键值的数据集合
• fragment（目录片），是对directory按键值区间的切分，目的是防止directory过大，是指定部署分布的基本单元
• tablet，通过元数据进行管理多个不连续的directory，是副本管理的基本单元，即同一tablet中的数据具有相同的副本分布配置
• server，即spanner的物理服务器，存储多个tablet
• group，副本组，包含分布在多个server上的具有相同元数据的tablet，通过paxos达到数据一致。
• zone，是由同一数据中心中服务器组成的小范围集群，用于配置不同业务的物理隔离
• data center，数据中心，可看作集中部署的多个zone的物理集合
• universe，zone的逻辑集合，可能跨多个data center，Google使用universe分隔测试环境和线上环境

其中directory和fragment是由数据模型逻辑自然产生的（参见1.2节），Spanner使用后台进程（Movedir）不断重新调整directory和fragment在tablet中的部署，目的是使频繁同时查询的数据尽可能聚合在一起，因此一个tablet的元数据是可能发生变化的。

Spanner的另一套机制决定group中的tablet如何在server上分布，这套机制考虑的通常是全球容灾和用户访问延时问题，例如约束某个表的数据在北美保存2个备份、亚洲2份、欧洲1份。

1.2 数据模型

Spanner使用一种有Schema的嵌套数据模型，同时使用类SQL的语法作为访问接口，用论文中的例子来解释

上面的两个SQL语句看似创建了两张表：Users和Albums，但实际上Spanner将它们合并存储。注意第二张表的建表语句使用了多主键：uid和aid，并且通过“INTERLEAVE IN PARENT …”语句表示uid与Users中的主键uid一致。这意味着，Album中的多条uid相同的记录，是嵌套在Users表的一条uid记录之下的。同一个user之下的所有子数据，就构成了一个directory。论文并没有描述表中的非主键如何存储，因此只能推测它们存储在所对应主键之后，即如下结构：

使用嵌套的数据结构，Spanner实现了相关联数据的合并存储，并且对于前面部署模型提到的后台directory迁移机制十分友好，属于同一Users下的所有记录可以同时取出。另外对于需要频繁使用两表主键join的操作，这种模型也能够大幅降低磁盘IO开销。论文中并没有具体说明，这样的嵌套模型是否具有层次深度是否仅限于2层，即是否能创建另一张表interleave in parent Albums。不过这在技术上并没有什么障碍。

关于存储模型，Spanner论文并没有给出具体的说明。考虑到时间戳和多版本的设定，个人推测Spanner采用了与BigTable和LevelDB类似的增量模型（毕竟它们都是由Jeffery Deam等几位大牛牵头的），该模型的特征是数据以增量的方式写入到存储介质，而非在原有存储空间上进行修改。至于如何基于增量模型实现嵌套型数据存储，也并不是一件简单的事情，开源NoSQL数据库还没有一个类似的产品，以后有机会专门写文章详细介绍。

2 TrueTime

2.1 分布式事务和时序

全球分布式和一致性事务，在现有架构下通常很难共存。前者要求读操作可以在任何一个节点进行（通常会选择里客户端最近的节点），后者要求无论客户端链接到哪个节点，读取的数据都是一致的。我们列举2个场景说明同时实现两个要求是如何困难，以及为什么这些困难都与时序问题有关。

场景1：主备一致

上图是主备一致问题的一个具体示例，客户端向Master节点提交(A=2)更新后，转向Slave节点查询A的值，此时Slave可能尚未写入更新的数据。要解决这个问题有两个思路：

1. 强制要求写入是同步备份的
2. 对Slave节点的读操作，能够判断数据是否足够新，否则阻塞读操作

已有的数据库经验表明，实现第一个思路的代价是巨大的。因为：1）有些的数据库写操作的代价较大，Slave节点强制同步写入会导致写延时增加。2）主备节点的连接并不可靠（全球部署和备份的系统更是如此），Master向Slave两阶段提交的任何时刻都可能发生故障。

而第二个思路，需要解决的问题是，数据写入和查询的新旧顺序如何确定？进一步，Master、Slave、Client三个分布式节点如何统一的描述一个具有顺序的逻辑？

场景2：跨库（或分区）事务原子性

上图是跨库事务原子性问题的一个示例，Client 1节点提交一个写事务，向两个跨库或分区的Master节点分别提交对记录A和B的写操作。同时Client 2节点希望查询A和B的值。

在传统方法中，Client 2 的对A、B的读取必须封装到一个读事务中。这是因为：由于缺乏分布式的时序，Master 1和Master 2对数据的加锁必须是有次序的，如果来自Client 2的两个读请求不尝试也获得锁，它们就无法保证这两个读操作都发生在写事务之前或之后。有些场景下，读事务对性能可能造成严重影响。假设该模型描述的是一个商品数据，A和B是同一个商品的两个属性，但分布在两个表中，Client 1代表了商品的成交，Client 2则代表商品信息的查询。当查询的频率远高于成交操作，成交操作的性能将受到严重影响。

分布式数据中的Schema变更操作，可能更能说明跨库（分区）中的事务操作多么依赖分布式锁。传统分布式数据库需要对所有有关表加DDL锁，阻塞读写操作。在没有时序逻辑的系统中，一次全局加锁操作的时间代价是巨大的。就是说一旦需要更新Schema，传统分布式数据库就必须忍受一次长时间的全网业务中断。

2.2 TrueTime的技术基础

TrueTime是一套保持Spanner全球服务器的时钟“近似同步”的基础服务。它基于已有的全球精准计时技术：GPS时钟和原子钟。Spanner同时使用两种校时技术是有原因的。解释这个问题，需要先简单介绍两种时钟的原理：

• 原子钟利用原子的波长测量时间，科学领域通常使用最精确的铯原子时钟，但成本也很高。而商用领域则使用精度和成本都较低的铷原子钟。无论哪种原子钟，都存在误差累积问题，即原子钟自然产生的误差是单调变化的，两个不同的原子钟授时差异会越来越大。
• GPS时钟的技术基础，仍然是每个GPS卫星上的两个互相校时的原子钟。GPS时钟终端可以通过连接多颗GPS卫星，通过算法屏蔽电磁波传输时延计算出相对精确时间。因此GPS时钟产生的误差是随机误差，即全球不同GPS时钟的时间虽然会呈现动态不一致，但误差不会越来越大。然而，GPS毕竟是第三方服务，并不能确信它在任何情况下都可用（例如发生大范围的卫星故障、电磁干扰等）。

综合以上原因，Spanner决定同时采用GPS时钟和原子钟，并且以GPS时钟为主。这样可以既避免计时误差问题，又保证了GPS失效时的可用性。 此外Google在论文中也透露了，原子钟与GPS时钟的成本在相同数量级，所以成本问题并不是Spanner选择的一个关键因素。

既然是工程角度的探讨，就需要再引申介绍一下，如何搭建基于GPS时钟（原子钟）的服务器。目前的精确校时商用设备，按授时的物理接口可分为以下几类：

• RS232，即9 pin口，现在的主机已经很少有这种接口了。
• PCI，插到服务器主板上即可，缺点是需要为每台服务器配置一个。
• 以太网，使用PTP/PTPv2（IEEE1558）作为校时协议，目前的商用设备的精度已经能够达到0.1us

可以简单推测Spanner采用的是以太网PTP方式进行的网络校时，形成如下组网架构：

2.3 Time Master服务

Spanner的每个数据中心里都有一定数量的时钟服务器，其中多数是GPS时钟服务、少数是原子钟服务，它们被统称为time master。提供数据服务的主机称为spanner server。spanner server会周期性的选择若干time master进行网络校时。

• 同时链接不同距离的数据中心的多个time master，计算时间参考值
• 使用防欺骗算法，侦测和过滤撒谎的time master
• 若频繁出现本地时钟在校时周期内产生的误差过大，则主动退出Spanner服务

spanner server会周期性的将本地时钟调整到全球一致的值（时钟本身和校时产生的误差范围内）。但在相邻校时周期中间，它完全依赖本地时钟读取时间，在此期间由于本地时钟的不精确性，从而积累误差。Google提供的经验值是，一般情况下本地时钟每秒积累的误差不会超过200us，相当于1/5000的误差。以此经验值为前提，TrueTime可以通过调整spanner server的校时周期，保持这种误差小于一个特定的值。例如Spanner的周期设定为30秒，误差上限值被设置为7ms（大于30*0.2ms）。这个值被成为”误差参考值“，记作ε

可以简单的这样理解，Spanner保证每个服务器在任何时刻获取的时间，与“全球标准时间”相差不超过7ms。或者说任意两个Spanner服务器之间的时间误差不超过14ms。后面的分析会说明，这个最大误差值越小，Spanner的事务性能将越高。Google在论文中也提到，缩短校时周期可以有效改善误差时间，个人推测目前使用的30秒周期可能是PTP服务本身的并发性能限制有关，因此增加Time Master的数量可以间接缩短该误差值。

由于定义了误差参考值ε，就可以定义TrueTime API三个接口

• now()
  • 返回一个时间区间(t_earliest, t_latest)，使得t_earliest<t_abs<t_earliest
  • 论文中没有具体描述上下界的计算方法，显然若定义t_earliest=t_local-ε，t_latest=t_local+ε是满足要求的。
• after(t)
  • 当确定当前全球精确时间大于输入的时间记录时返回true，否则返回false
• before(t)
  • 当确定当前全球精确时间大于输入的时间记录时返回true，否则返回false

举一个例子描述如何使用TrueTime控制分布式系统的时序，要求”节点A上执行事件e1的绝对时间早于节点B上执行事件e2“

不使用TrueTime API的方法如下

1. A执行e1
2. A通知B
3. B执行e2

使用TrueTime的方法如下：

1. A、B协商时间戳t1、t2，其中t2-t1>2ε
2. A根据本地时间在t1执行e1
3. B根据本地时间在t2执行e2

证明：用t_abs(e)表示时间e的执行绝对时间，根据误差参考值定义，t_abs(e1) < t1+ε， t_abs(e2) > t2-ε，又因为t2-t1>2ε，所以t_abs(e1)<t_abs(e2)

3 分布式事务

3.1 时间戳

Spanner是一个具有多版本特征的数据库。它的每个最小粒度的数据都具有一个时间戳属性。时间戳在数据写入时生成，并且遵循以下规则：

1. 大于等于写操作起始绝对时间 ，即ts>=t(e_server)，其中e_server是节点接收到写操作的事件
2. 小于等于写操作commit绝对时间，即ts<=t(e_commit))，其中e_commit是写操作提交commit的事件
3. 同一次写事务生成的时间戳保持一致

3.2 快照读和只读事务

Spanner读写操作的类型包括三种：快照读、只读事务、读写事务。

快照读是对历史数据的查询，的流程如下：

1. 客户端指定一个时间戳ts
2. 根据读请求和数据分布信息，选择与本次查询有关的副本组
3. 客户端在每个group选择一个副本节点，分别发起查询请求，等待至全部完成
4. 在每个所选副本节点上：
   1. 阻塞流程，直到时间戳ts同时满足以下条件
      • 小于该节点在所有正在执行的读写事务中产生的时间戳（参见2.2节步骤6.2）
      • 小于该节点paxos同步时间戳（参见2.3节）
   2. 执行读操作，执行成功后返回客户端，否则重试直到超时

快照读使用时间戳对数据进行筛选，客户端可以指定（过去、当前或未来）任意时刻时间戳进行查询，因此查询结果与请求提交的时间无关。Spanner具备查询过去某个版本数据的能力。

快照读引入了读等待所机制（步骤4.1），副本节点达到足够新的状态之后才完成读取，因此即使数据复制是异步执行的，也可以保证跨副本节点的读写一致性。正是由于快照读的事务一致性与副本选择无关，步骤1.2可以根据业务需要自行制定副本选择策略，不限于以下几种：

• 优先选择ping最低的节点，保证通信延时最小化
• 优先选择负载最轻的节点，保证多副本节点负载均衡
• 优先选择leader节点，保证读流程阻塞最小化

只读事务针对客户端没有指定时间戳的情况，默认含义是查询当前时刻数据，具体流程如下：

1. 选择查询节点，同快照读步骤1
2. 客户端判断读操作是否只在一个group内部
• 如果是
1. 客户端请求该group的Leader节点，发起查询请求并等待完成
2. Leader节点将读操作时间戳ts指定为LastTS
• 如果否
1. 客户端将读操作时间戳ts指定为now.latest
2. 客户端在每个group选择一个副本节点，分别发起查询请求，等待至全部完成，同快照度步骤3
3. 被查询的节点执行读操作并返回，同快照读步骤4

只读事务区分读操作是否在一个group的意义在于，面向多节点读操作需要统一时间戳，这种情况下，由客户端指定时间戳的消息通信代价是最小的。而对于只需要在一个节点上执行的读操作，LastTS（接受消息时刻最后的写事务时间戳）会比now.last要小，特别是该tablet最近一段时间没有写入数据的情况，Spanner针对这种场景将生成时间戳的权利交给Leader节点，能够很大概率降低读阻塞时间。

由于spanner服务端节点引入了读阻塞机制，只读事务和快照读不需要使用锁。

3.3 读写事务

读写事务的流程如下：

1. 获取相关Leader节点的读锁
2. 如果需要读操作，快照读（仅选择leader节点）
3. 客户端确定写操作的所有副本组，选择一个coodinator-leader
   • 论文并没有给出选择方法，因此流程对任意的选择方法都是兼容的。
   • 如果客户端只确定了一个副本组，则该副本组的leader即为coodinator-leader，以下流程跳过步骤5.2和6
4. 客户端生成需要写入的数据，分别发送给所选择副本组的leader节点（消息中包含所选coodinator-leader的信息）
5. coodinator-leader节点执行以下操作：
   1. 获取写锁
   2. 等待所有非coordinator-leader的消息
   3. 确定本次事务最终的时间戳ts，遵循以下三个规则
      • 大于所有其他leader消息中的时间戳
      • 大于收到它收到客户端消息时的now().latest（为了满足时间戳规则1）
      • 大于本节点所有已使用的时间戳
   4. 将客户端提交的数据，通过paxos写入到副本binlog日志
   5. commit等待：阻塞流程直到after(ts)==true（为了满足时间戳规则2）
   6. 本地并通知slave节点提交commit
   7. 释放写锁
   8. 通知客户端写操作完成，同时通知非coordinator-leader进行commit
6. 非coodinator-leader节点执行以下操作：
   1. 获取写锁
   2. 确定准备时间戳，大于本节点所有已使用的时间戳
   3. 将客户端提交的数据，通过paxos写入到副本binlog日志
   4. 通知coordinator-leader
   5. 等待coordinator-leader的消息
   6. 讲binlog时间戳改为coordinator-leader确定的时间戳ts（为了满足时间戳规则3）
   7. 本地并通知slave节点提交commit
   8. 释放写锁

Spanner论文对读写事务中锁的描述比较简略，遗留了许多问题需要填补：

• 锁的粒度是如何的？
  • 论文暗示锁粒度小于tablet大于单行记录，但具体是directory、fragment或者其它粒度，文中并没有具体解释，我们暂时按粒度为fragment理解
• 如何选择加锁对象？
  • （基于推测）客户端会分析读写操作，判断本次操作涉及哪些主键区间，然后计算出所对应Leader节点上的fragment，然后加锁。注意步骤1的读锁和步骤5、6中的写锁加锁对象可能是不同的，但加读锁的fragment集合必须包含加写锁的fragment集合。
• 死锁问题？
  • Spanner论文中提到了使用”wound-wait“（受伤-等待）策略防范死锁。简单回顾wound-wait策略：1）当较新的任务尝试获得锁，等待直到锁释放。2）当较老的任务尝试获得锁，结束较新任务。（基于推测）Spanner使用读写事务中读操作的时间戳比较任务的新旧。因此当客户端尝试为分布在多个节点上的fragment加锁时，可通过本次时间戳比较任务的新旧，从而决定该读写事务是否等待或这终止。
• 使用读写锁，如何保障事务的隔离性？
  • 回顾以下读写锁机制：1）读锁之间不互斥、2）读锁与写锁，以及写锁之间互斥。对于仅仅是简单的读写锁方案，如下图a所示，当线程1和线程2先后启动读写操作且并行执行，在第一阶段两个线程同时获得了读锁，读到相同版本的数据，第二阶段由于写锁互斥先后执行。线程2的写操作出现了“脏读”，将了线程1的数据，破坏了事务的隔离性？
  • 不过wound-wait策略除了解决死锁之外，实际上该机制也保证了前面描述的脏读现象不会发生。如下图b所示。当线程2完成读操作尝试获得写锁，此时线程1仍然持有写锁，因此进入等待。当线程1开始写操作，尝试获得写锁，线程2由于任务较新则直接终止了任务（并不是终止线程）。

读写事务的步骤5.4和6.3是一个复合步骤，涉及Leader节点与Slave节点之间交互，参见3.5节。

3.4 Leader租约

在一个group中tablet备份分布在不同节点上，其中一个称为Leader节点，其余称为Slave节点，它们都称为副本节点（replica）。为了降低开销，Spanner采用Multi-Paxos协议进行数据备份。但这个协议会产生一个问题，当Leader节点需要重新选举的时候，可能多个节点同时认为自身是Leader，这将破坏Spanner读写事务中的其它一些设定。因此Spanner必须作出更严格的约束，任何时刻只有一个节点认为自己是Leader。

为了保证异常状况下的Leader及时重新选举，以及避免选举造成过重的开销，Spanner采用有租约的Leader管理机制，时长默认是10秒，即一个节点确认获得授权之后10秒可以认为自己是Leader节点。为了避免Leader节点闪断后重新回到group时出现新旧Leader共存，在一个Leader租约时间内，重新选举新的Leader也是不允许的。另一个问题是，不同节点对于租约起止时刻的判断误差，也可能造成短暂的新旧Leader共存，Spanner使用TrueTime API避免这一点。具体流程如下：

1. 一个Replica试图成为Leader时，向所有replica节点r发送租约请求，每次消息发送之前调用TrueTime，记录t_leader,r=now().latest
2. 当节点r接收到租约请求消息，判断上一次发出的租约投票是否超期，如果未超期则流程结束，否则执行步骤3
3. 返回一个租约投票，并记录租约起止时间为now().latest到now().latest+10秒
4. 当发起租约请求的节点接收到多数replica节点的租约投票，则成为leader，它所记录的租约时间起止时间为now().latest到min_r(t_leader,r)+10秒，并使用before(min_r(t_leader,r)+10)判断是安全的判断当前时刻是否在租约之内。

上述流程中，不同节点维护的租约时间不同，而leader节点则取了大多数节点租约投票时间的交集，从而保证不与前后产生的leader节点产生租约时间的重叠。具体的证明可以参见原文附录A。

Spanner还引入了租约延长机制，进一步避免leader重新选举代价，包含显式和隐式两种方法（具体的流程并未说明）：

• 当发生一次写操作，隐式延长租约
• 租约即将结束时，显式延长租约

注意到Leader节点延长租约所需的多数节点并不需要是固定的，也就是说当它拥有任意多数节点的租约投票，即可延长Leader租约。

另外，Leader选举流程可能存在活锁问题，即多个replica节点同时试图成为leader时，由于没有一个达到多数replica投票，流程反复启动和终止。特别是步骤2要求投票后的租约时间内不再进行投票，产生一次活锁将导致10秒内Leader无法选举产生。不过虽然论文中没有提及，相信Spanner已经采用了其它机制规避该问题。

3.5 Paxos数据复制

Spanner Leader利用Paxos进行binlog数据复制，每个paxos实例中决议的对象是下一条binlog记录，流程如下：

1. Leader将数据写入自身的binlog
2. Leader将数据发送给Slave
3. 接收到消息的Slave将数据写入自身的binlog，并返回消息
4. Leader等待直到超过半数的Slave返回

上述数据复制过程仅仅保证binlog数据的主备一致性，因此不涉及数据commit和commit wait，它们交由读写事务流程完成。

3.6 Schema变更

Spanner的Schema变更事务流程如下：

1. 确定一个未来时间戳t，显式大于所有server的收到并确认执行的时间
2. 将schema事务发送到所有节点，
3. 每个节点根据schema事务，生成新版本的schema（与旧的schema并存），按照如下方式执行读写操作
   • 对于时间戳小于t的读写操作，使用就版本schema执行
   • 对于时间戳大于等于t的读写操作，阻塞直到需要after(t)为true，然后使用新的schema执行

Spanner不再需要接收到DDL操作之后开始逐步阻塞所有节点上的读写操作，直到确认所有节点进入阻塞状态再确认执行schema变更。TrueTime保证了，在绝对时刻t所有节点都处于阻塞读写操作状态，而小于2ε时间之后所有节点自行恢复读写，从而将节点阻塞读写操作的时间降至最低。

3.7 一些探讨

Spanner哪些地方使用了TrueTime？

• 读操作：保证本次读操作时间戳小于当前正在写的时间戳
• 写操作：leader提交commit之前，保证commit的绝对时刻大于写操作时间戳
• Leader租约选举：保证新旧leader的租约不发生重叠

关于时间戳规则2和commit等待真的必要吗？

4 技术对比

（待补充）

• Oracle RAC
• IBM PureScale
• MegaStore