HDC.Cloud2021|如何设计好分布式数据库,这个策略很重要

GaussDB 数据库 发表于 2021/04/17 19:24:12 2021/04/17
【摘要】 GaussDB(for openGauss)数据库设计之数据分布策略

        数据库是应用和计算机的核心组成,试想,如果没有数据库,就像人的大脑没有了记忆一样,信息也得不到共享,那么,对开发者来说,如何设计一款高效易用的数据库至关重要。

        GaussDB(for openGauss)是企业级分布式数据库,具备分布式强一致、有效降低容灾成本、支持PB级海量数据、智能诊断等优点,是当下炙手可热的主流数据库,那么如何更好的设计分布式数据库的数据分布策略呢?首先介绍一下GaussDB(for openGauss)的基本架构,便于理解后面的分析。

图 逻辑架构

        这个是一个典型的基于数据分片的分布式架构(share nothing),底层数据通过一定的规则比如hash、list或者range等让数据打散分布到不同的数据节点上,计算时底层多个节点共同参与计算。同时数据节点可以扩展,上层由协调节点进行SQL解析和转发。

       从图中可以看到,主要包括三类节点:协调节点、数据节点、集群类节点(最重要的是全局事务管理器)。协调节点负责SQL解析转发,充当的是类似proxy的角色,数据节点负责计算和数据存储,全局事务管理器负责全局事务读一致性的保证。

名称

描述

OM

运维管理模块(Operation Manager)。提供集群日常运维、配置管理的管理接口、工具。

CM

集群管理模块(Cluster Manager)。管理和监控分布式系统中各个功能单元和物理资源的运行情况,确保整个系统的稳定运行。

GTM

全局事务管理器(Global Transaction Manager),负责生成和维护全局事务ID、事务快照、时间戳等全局唯一的信息。

CN

协调节点(Coordinator Node)。负责接收来自应用的访问请求,并向客户端返回执行结果;负责分解任务,并调度任务分片在各DN上并行执行。

DN

数据节点(Data Node)。负责存储业务数据、执行数据查询任务以及向CN返回执行结果。

ETCD

分布式键值存储系统(Editable Text Configuration Daemon)。用于共享配置和服务发现(服务注册和查找)。

Storage

服务器的存储资源,持久化存储数据。

表 关键角色

分布式SQL执行过程

大致执行过程:

  1. 业务应用下发SQL给Coordinator ,SQL可以包含对数据的CRUD操作;
  2. Coordinator利用数据库的优化器生成执行计划,每个DN会按照执行计划的要求去处理数据;
  3. 数据基于一致性Hash算法分布在每个DN,因此DN在处理数据的过程中,可能需要从其他DN获取数据,GaussDB提供三种stream流(广播流、聚合流和重分布流)实现数据在DN间的流动;
  4. DN将结果集返回给Coordinate进行汇总;
  5. Coordinator将汇总后的结果返回给业务应用。

数据分布策略场景实践

       拿电子商城来举例,一个完整的商城会包括很多信息,例如用户、产品、订单、仓库、物流、支付等等很多信息。以下用订单、支付方式、快递公司这3个信息为例,这3个信息也只列出少量关键属性来举例。

  • step1、数据库逻辑模型设计

截图更方便.PNG

  • step2、功能设计

常用场景一、查看子订单列表

Select sn, status, money, product_id, product_mount from order t1, suborder t2 where t1.id = t2.order_id and t1.sn=’xxx’;

常用场景二、查看子订单详情

Select product_id, product_mount, t2.name as shipping_name, t3.name as pay_type_name from suborder t1, shipping_com t2, pay_type t3 where t1.id=’xx’ and t1.shipping_id=t2.id and t1.pay_type_id=t3.id;

  • step3、物理数据模型设计

        子商城每天的订单量非常巨大,使用传统的主备库模式显然无法满足如此大数据量的请求和存储需要。而跨节点、可横向扩展的分布式数据库可以很好解决大规模海量数据的计算存储问题。GaussDB(for openGauss)分布式模式最大可以支持1000+节点,PB级存储,分布式事务强一致等特性可以很好地满足政府、交通、金融、能源等行业的互联网+的诉求。

        这个场景中,订单表和支付方式表代表着两类数据,前者同客户数、时间正相关,一个中型的商城每天的数据可能就达到了百万条记录,暂记为A类数据;后者数据变化较小,往往是配置类的数据,暂记为B类数据。功能模块中存在A类数据之间的相互关联以及A与B类数据的关联。那么在分布式数据库下,当数据分布在不同的节点上,以上能否直接关联呢?如果能够关联的话,怎么样设计才能更好的达到性能上的要求呢?

       对于分布式数据库而言,如何使得以上的场景能够得到更好的性能,关键的是把表的数据分布策略选择好,而像分区、索引等设计同传统的单机差别不大。因此        要回答这个问题,我们需要先了解GaussDB (for openGauss)的数据分布策略。

数据分布策略

GaussDB支持的数据分布策略

       分布存储和并发查询是MPP架构数据库的主要优势所在。将一个大数据量表中的数据,按合适分布策略分散存储在多个DN实例内,可极大提升数据库性能。GaussDB V5支持如下表所示的数据分布策略:

策略

描述

适用场景

散列(Hash)

将表中的数据通过hash方式散列到集群中的所有DN实例上。

数据量较大的表。

复制(Replication)

将表中的数据复制到所有DN实例上,每个DN实例都拥有全量数据。

数据量较小的表(10W行记录以下),根据集群数量酌情处理。

           下面这张图可以帮忙我们清晰地理解复制表和分布表,前者每个DN上都是一个完整的表,而后者每个DN上只是一个分片。

根据规划.PNG

语法:

创建复制表

create table region1(ctid_value int) distribute by replication;

创建分布表

create table region2(ctid_value int) distribute by hash(ctid_value);

说明:当不指定分布方式,创建表默认为(第一个可以作为分布列的列为分布键)分布表

        看到这里这里,很多人马上就会明白,订单表和子订单表适合用分布表,支付方式表和快递公司表适合用复制表,那么是为什么呢? 让我们先了解下分布表及复制表的关联过程。

分布方式

分布列

订单

Hash

id

子订单

Hash

order_id

快递公司

Replication

支付方式

Replication

 

分布表及复制表关联过程

(1)分布表和复制表的关联查询

言听计用.PNG

  1. T1为hash表,T2为复制表。
  2. T1表的每一部分在各DN上分别与T2表进行连接。
  3. 各DN上的连接结果集在CN上进行汇聚,产生最终输出的结果集。

(2)分布表与分布表关联查询

UI看就看.PNG

  1. T1表和T3表都为分布表。
  2. 在DN1实例上,T1表的p1部分与T3表的T1部分进行关联。
  3. T3表的p2、p3、p4复制到DN1上,与T1的p1部分进行关联。
  4. DN2、DN3、DN4实例操作与DN1类似。
  5. CN节点对各DN生成的结果集进行汇聚,生成最终数据结果集。

注:细心的朋友可能看到,不同的DN之间可能会进行数据同步,在这种情况下,执行效率会就变差,如何避免这种情况,下面会讲到。

分布键的选择

投入和童年.PNG

  • 尽量选择distinct值比较多的列,保证数据均匀分布。分布均匀是为了避免木桶效应,各个主机对等执行。
  • 尽量选择Join列或group 列做分布列。尽量选择Join列或group 列是为了避免数据节点之间数据流动, 提高性能。

避免数据广播

        在分布表关联分布时,分布列不同时,存在Streaming(type: BROADCAST)广播,不同DN节点之间数据存在交互,会增加网络开销,而分布列相同或关联复制表数据时,不存在DN节点间数据交互。下面我们进行下实际测试:

例如对于表t1,t2,我们使用不同的分片列进行关联:select * from t1, t2 where t1.a = t2.b;

方式1:t1、t2都选择a做分布列

create table t1 (a int, b int) distribute by hash (a); create table t2 (a int, b int) distribute by hash (a);

其执行计划如下:

方式2:将a作为t1的分布列,将b作为t2的分布列:

create table t1 (a int, b int) distribute by hash (a); create table t2 (a int, b int) distribute by hash (b);

重新查看执行计划如下:

分析:方式1由于存在“Streaming”,导致Datanode之间存在较大通信数据量。

避免数据倾斜

  • 判断是否已发生数据倾斜现象

SELECT a.count,b.node_name FROM (SELECT count(*) AS count,xc_node_id FROM tablename GROUP BY xc_node_id) a, pgxc_node b WHERE a.xc_node_id=b.node_id ORDER BY a.count DESC;

      如果各DN内元组数目相差较大(如相差数倍、数十倍),则表明已发生数据倾斜现象,请按照下面原则调整分布列。

  • 重新选择分布列,重新建表

       当前不支持通过ALTER TABLE语句调整分布列,因此,调整分布列时需要重新建表。

选择原则如下: 分布列的列值应比较离散,以便数据能够均分布到各个DN。

       例如,考虑选择表的主键为分布列,如在人员信息表中选择身份证号码为分布列。 在满足上面原则的情况下,考虑选择查询中的连接条件为分布列,以便Join任务能够下推到DN中执行,且减少DN之间的通信数据量。

总结

        GaussDB(for openGauss)是分布式架构,数据分布在各个DN上,设计好的数据分布策略是分布式数据库设计中最关键的环节。本文结合电子商城场景讲述了支持的数据分布策略、分布键的选择以及关联过程,还讲述了应该规避的问题。理解了以上这些内容后,相信你可以结合自己的业务场景,设计出最佳的数据分布策略。

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