淘宝曹伟分析低成本、高性能MySQL云数据架构

曹伟淘宝数据库研发组的成员,前不久他在内部分享了低成本、高性能MySQL云数据的架构分析和探索,包括架构的演变过程、系统中的角色和组件等。该文章被褚霸转发在“Erlang非业余研究”上。

在一开始,曹伟指出:

虽然近两年来NoSQL的发展很快,新产品层出不穷,但在业务中应用NoSQL对开发者来说要求比较高,而MySQL拥有成熟的中间件、运维工具,已经形成一个良性的生态圈等,因此从现阶段来看,MySQL占主导性,NoSQL为辅。

接下来,曹伟介绍了他们的工作成果:

我们(阿里集团核心系统数据库团队)……设计和实现了一套UMP(Unified MySQL Platform)系统,提供低成本和高性能的MySQL云数据服务。开发者从平台上申请MySQL实例资源,通过平台提供的单一入口来访问数据,UMP 系统内部维护和管理资源池,以对用户透明的形式提供主从热备、数据备份、迁移、容灾、读写分离、分库分表等一系列服务。平台通过在一台物理机上运行多个 MySQL实例的方式来降低成本,并且实现了资源隔离,按需分配和限制CPU、内存和IO资源,同时支持不影响提供数据服务的前提下根据用户业务的发展动 态的扩容和缩容。

曹伟分析了该系统的架构演变过程:

第一版基于mysql-proxy 0.8版修复若干bug,并对proxy插件中管理用户连接和数据库连接的状态机流程进行一些修改,同时编写Lua脚本实现去中心数据库获取用户认证信息和后台数据库地址,对用户进行验证,建立到后台数据库的连接和转发数据包等逻辑。

图:UMP系统第一版架构

他提到第一版的几个问题:

  1. mysql-proxy 0.8版对多线程的支持比较简单粗暴,导致几个恶劣后果:
    • 造成“惊群”现象,多个线程被唤醒但只有一个线程需要去任务;
    • 任务的CPU亲缘性比较差,在同一个状态机上触发的事件会在多个处理器上来回切换执行;
    • mysql-proxy中还使用了全局Lua锁,同时仅允许一个工作线程执行Lua脚本,因此mysql-proxy多线程模式下的性能远不能同CPU核数保持线性增长,甚至在16核上的性能还不如4核。
    • 以上原因导致单进程模式时,一台物理机上需要部署多个进程才能有效利用机器的处理能力,但给部署、监控和服务的升级带来麻烦。
  2. 其次,限于mysql-proxy的框架,功能上不容易扩展,实现用户的连接数限制、QPS限制、以及主从切换、读写分离、分库分表等一系列功能比较困难。
  3. 最后,mysql-proxy的社区近些年来并不活跃,而且C语言对开发者功底的要求比较高,很难要求团队所有成员协同开发出兼顾优雅和正确性的代码。

因此,他们决定用Erlang重写,原因在于:

  • 和操作系统的进程/线程相比,Erlang进程同样是并发执行的单位,但特别的轻量级,它是在Erlang虚拟机内管理和调度的“绿进程”,即用户态进程。
  • Erlang/OTP很好的抽象了开发一个分布式的、高容错性的应用程序所需的要素,包括:网络编程框架、序列化和反序列化、容错、热部署。

在设计当前的UMP系统架构时,团队遵循了以下原则:

  • 系统对外保持单一入口,对内维护单一的资源池。
  • 保证服务的高可用性,消除单点故障。
  • 保证系统是弹性可伸缩的,可以动态的增加、删减计算与存储节点。
  • 保证分配给用户的资源也是弹性可伸缩的,资源之间相互隔离。

图:UMP系统现有架构

UMP系统中有如下角色:

  • controller服务器:向UMP集群提供各种管理服务,实现元数据存储、集群成员管理、MySQL实例管理、故障恢复、备份、迁移、扩容等功能。
  • proxy服务器:向用户提供访问MySQL数据库的服务,它完全实现了MySQL协议;除数据路由的基本功能外,Proxy服务器中还实现了资源限制、屏蔽MySQL实例故障、读写分离、分库分表、记录用户访问日志的功能。
  • agent服务器:部署在运行MySQL进程的机器上,用来管理每台物理机上MySQL实例,执行创建、删除、备份、迁移、主从切换等操作,收集和分析MySQL进程的统计信息、bin log、slow query log。
  • API/Web服务器:向用户提供了系统管理界面。它们是基于开源项目Mochiweb与Chicago Boss开发的Mochiweb提供http/https服务。
  • 日志分析服务器:存储和分析Proxy服务器传入的用户访问日志,并实现了实时索引供用户查询一段时间内的慢日志和统计报表。
  • 信息统计服务器:定期将采集到的用户的连接数、QPS数值,以及MySQL实例的进程状态用RRDtool进行统计,可以画图展示到Web界面上,也可以为今后实现弹性的资源分配和自动化的MySQL实例迁移提供依据。

依赖的开源组件有:

  • Mnesia:Mnesia是OTP提供的分布式数据库,支持事务,支持透明的数据分片,利用两阶段锁实现分布式事务,可以线性扩展到至少50个节点。Mnesia更倾向于牺牲可用性来换取强一致性,但它也提供了脏读、脏写操作,可以绕过事务管理去操作数据。
  • LVS:实现负载均衡,用户应用重连后会被LVS定向到其他的proxy上。
  • RabbitMQ:提供UMP系统中各节点间的通信(不包括SQL查询、日志等大数据流的传输,这些还是直接走TCP的)
  • ZooKeeper:主要发挥配置服务器、分布式锁,以及监控所有MySQL实例的作用

对于该系统的作用,曹伟总结到:

在多个组件的协同作业下,整个系统实现了对用户透明的容灾、读写分离、分库分表功能。系统内部还通过多个小规模用户共享同一个MySQL实例,中等 规模用户独占一个MySQL实例,多个MySQL实例共享同一个物理机的方式实现资源的虚拟化,降低整体成本。在资源隔离方面,通过Cgroup限制 MySQL进程资源,以及在proxy服务器端限制QPS相结合的方法,UMP系统实现了资源虚拟化的同时保障用户的服务质量。此外,UMP系统综合运用 SSL数据库连接、数据访问IP白名单、记录用户操作日志、SQL拦截等技术保护用户的数据安全。

对于该系统的应用,曹伟指出:

UMP系统的一些组件,例如proxy服务器和日志分析服务器,目前已经运用在天猫的聚石塔平台中,为电商和ISV提供安全的数据云服务。此 外,UMP系统还运用在淘宝的店铺装修平台中,为开发者提供数据服务。下一阶段,我们希望UMP系统可以为进一步降低集团内部数据存储的成本做出贡献。

郑柯 郑柯,实用的理想主义者,相信:每天改变一点点,这个世界会更好。

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