其疾如风,GaussDB(DWS)增量备份核心设计

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我的橘子呢 发表于 2022/11/30 11:47:49 2022/11/30
【摘要】 增量备份只备份基于上一个备份集到当前阶段的数据变化文件,相比于全量备份所用的时间更少,能够节约大量的空间资源,因此一直是客户的常规备份手段。为了实现数据的完整性与一致性,正确识别并备份增量数据文件是至关重要的,Gauss(DWS)数据库内核的事务日志功能与CBM设计可以帮助Roach工具快速准确识别增量期间数据文件的变换信息,从而快速实现增量备份的任务。

1. 前言

  • 适用版本:【8.0.0(及以上)】

  增量备份指备份基于上一个备份集到当前阶段的数据变化文件,相比于全量备份所用的时间更少,能够节约大量的空间资源,因此一直是客户的常规备份手段。为了实现数据的完整性与一致性,正确识别并备份增量数据文件是至关重要的,Gauss(DWS)数据库内核的事务日志功能与CBM设计可以帮助Roach工具快速准确识别增量期间数据文件的变换信息,从而快速实现增量备份的任务

2.认识增量备份

  GaussDB(DWS)数仓的备份恢复工具Roach支持集群级增量备份。全量备份会将源数据完整备份,而增量备份仅将上次备份后所作的更改进行备份,这里的上次备份可以使全量备份,也可以是全量备份后的增量备份。需要注意的是,增量备份的基础始终是全量备份,如果一次全量备份之后进行了全量恢复,则不能再基于该全量备份进行增量备份,必须重新进行全量备份然后基于新的全量备份进行增量备份。增量备份分为两种:累积增量备份和差分增量备份。

2.1 累积增量备份

  累积增量备份:如果一次全量备份后的多次增量备份,指定的prior-backup-key始终为全量备份的backup-key,即所有的增量备份都是基于全量备份来进行的,那么这些增量备份就是累积增量备份,累积增量备份均是基于最近一次全量备份进行的,如图1所示。

图1 累积增量备份示意图

2.2 差分增量备份

  差分增量备份:如果一次全量备份后的多次增量备份,指定的prior-backup-key均为上一次备份(可能是全量备份也可能增量备份)的backup-key,即此次备份是基于上一次备份集来进行的,那么这些增量备份就是差分增量备份,差分增量备份均是基于最近一次备份进行的,如图2所示。

图2 差分增量备份示意图

3.增量备份之CBM设计

  增量备份只需要备份上一备份节点到当前时间发生变化的数据文件,为了实现备份数据的完整性与一致性,正确识别并备份增量数据文件是至关重要的,作为增量备份的核心设计,Gauss数据库内核的事务日志功能与cbm设计可以帮助Roach工具快速准确识别增量期间数据文件的变换信息,为快速准确完成增量备份提供了有力保障。

3.1 WAL与事务日志

  为了保证数据的一致性和完整性,在对数据进行相关操作之前都会将具体的操作记录下来,持久化到可靠存储中,然后再进行具体的数据操作,这就是所谓的WAL(Write Ahead Logging),记录的相关操作称为XLOG日志,每一条日志记录都由LSN进行唯一标识。这样做的好处是事物的记录被提前记录并保存起来,在因一些外部原因(比如断电、操作系统失败等)导致操作失败后,我们可以通过保存的事物日志将这些操作重新执行一遍,保证数据不会丢失。相关操作如图3所示。

图3 WAL操作示意图

3.2 Checkpoint操作

  当系统运行时间较长的时候,由于操作较多,日志文件的数量也较多。如果每次利用日志进行恢复操作都会耗费大量的时间,为了节约时间同时减少不必要的恢复操作,引入了checkpoint的概念。checkpoint表示在此操作之前,相关数据已经被保存到永久存储中,即使系统故障,这部分数据也不会丢失,因此恢复的时候只要从checkpoint操作之后根据日志执行恢复操作就可以了。checkpoint本身也是一条xlog记录,该记录包含了redo点的位置,因此,每次恢复数据时,先从xloh记录里找到最近的一次checkpoint记录,并根据该记录找到相应的redo点位置,这就是执行本次恢复的起始点位置。如图4所示,checkpoint操作记录了redo点的位置。

图4 Checkpoint操作示意图

3.3 CBM设计

  基于上述功能,由于数据的所有变化都被记录在了xlog中,Gauss数据库内核通过增加常驻的CBM writer线程,持续不断地对新增的xlog进行解析,识别并记录哪些数据数据页面被修改。CBM记录的生成过程如图5所示。

图5 CBM生成示意图

CBM writer线程的工作流程为:

  • 进程启动时即开启CBM writer功能
      在startup线程刚启动时,其根据已经解析出来的CBM文件,来决定CBM writer开始解析的起始LSN位置。每次执行到checkpoint末尾是,会设置CBM writer线程的latch。CBM writer线程等待latch被设置,然后进行一轮日志解析。
  • 通过动态reload GUC参数,开启CBM writer功能
      由于是动态开启的CBM writer功能,因此startup线程没有初始化CBM解析的起始位置。打开enable_cbm_writer开关的同时,会将CBM强制初始化的标志置为true。当CBM writer线程启动之后,其第一次解析中,会强制初始化获得解析的起始lsn。

3.4 CBM文件的命名格式

  CBM文件保存在data目录的pg_cbm文件夹下,命名方式为:pg_xlog_seqnum_startlsn_endlsn.cbm。如图6所示。

图6 CBM文件格式
  • seqnum文件序号表示这是第几个cbm文件,当一个cbm文件的大小超过100M时,将会切换到下一个cbm文件,并将seqnum加1。
  • startlsn为本cbm文件内容对应xlog记录的起始lsn;
  • endlsn为本cbm文件切换时最后一次解析的截止lsn,若一个cbm文件还没有切换,那么endlsn为0。

3.5 CBM对外接口函数

a. pg_cbm_tracked_location

  • 说明:用于查询cbm已经解析到的lsn位置
  • 入参:无
  • 返回值:cbm已经解析到的lsn位置

b. pg_cbm_get_merged_file

  • 说明:用于将指定lsn范围之内的cbm文件合并成一个cbm文件
  • 入参:startlsn,指定的起始lsn;endlsn,指定的结束lsn
  • 返回值:合并完的cbm文件名

c. pg_cbm_get_changed_block

  • 说明:用于将指定lsn范围之内的cbm文件合并一个表,并返回表的各行记录
  • 入参:startlsn,指定的起始lsn;endlsn,指定的结束lsn
  • 返回值:合并完的表的记录,表的结构如下
item 含义
merged_start_lsn 合并起始的lsn
merged_end_lsn 合并截止的lsn
tablespace_oid 表空间oid
database_oid 库oid
relfilenode 表的relfilenode
fork_number 表的fork number
rel_dropped 表是否被删除
rel_truncated 表是否被截断
truncate_blocknum (如有)表被截断后的页面数
changed_block_number 有多少页被修改
changed_block_list 备修改的页号的列表

d. pg_cbm_recycle_file

  • 说明:删除不再使用的cbm文件
  • 入参:lsn,删除该lsn以前的cbm文件
  • 返回值:删除截止的lsn

4. CBM使用实践

(1)找到当前xlog的LSN位置,并将cbm的解析位置设置为该LSN的位置。

图7 设置CBM解析起始位置

(2)插入数据后获取当前cbm解析位置。

图8 设置CBM解析终止位置

(3)根据插入后数据前后的CBM解析位置,获取变化的数据文件,获取相关信息。

图9 获取变化数据文件

5.总结

  增量备份是重要的常规备份策略,正确快速识别增量变化文件的相关信息对增量备份至关重要。作为增量备份的核心设计,事务日志和CBM相关功能为增量备份的快速高效进行提供了有力支撑,本文对CBM的相关设计进行了介绍,并利用CBM的对外接口演示了CBM的相关功能。

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