GaussDB技术解读——GaussDB架构介绍（一）

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Gauss松鼠会小助手2 发表于 2024/06/07 15:23:04 2024/06/07
【摘要】 GaussDB是华为自主创新研发的关系型数据库，基于华为在数据库领域20多年的战略投入，通过多维度的技术创新，在行业实践中构筑了高可用、高安全、高性能、高弹性、高智能的技术优势，在数据库替换场景中，具备易部署、易迁移的特性。作为国内当前唯一能够做到软硬协同、全栈自主的数据库，GaussDB已经在金融、政务、能源、交通等关键信息基础设施行业积累了丰富的实践经验，是企业数字化转型、核心数据上云、...

GaussDB是华为自主创新研发的关系型数据库，基于华为在数据库领域20多年的战略投入，通过多维度的技术创新，在行业实践中构筑了高可用、高安全、高性能、高弹性、高智能的技术优势，在数据库替换场景中，具备易部署、易迁移的特性。作为国内当前唯一能够做到软硬协同、全栈自主的数据库，GaussDB已经在金融、政务、能源、交通等关键信息基础设施行业积累了丰富的实践经验，是企业数字化转型、核心数据上云、分布式改造的信赖之选。

从本期开始，Gauss松鼠会将陆续推出GaussDB技术解读系列文章，带您了解GaussDB的架构及关键技术原理。本篇将从GaussDB 关键架构目标、GaussDB分布式架构、数据计算路由层（Coordinator）关键技术方案等三方面对GaussDB架构进行介绍。

1 GaussDB 关键架构目标

GaussDB在架构设计上，采用组件化原则，分为GaussDB Kernel内核和GaussDB Kernel OM两部分。在产品形态上，提供面向云数据库服务GaussDB（for openGauss）的分布式安装包和集中式安装包，提供面向本地化安装的小型化安装包。

根据华为云提供的调查报告，当前全球数据库市场增长超预期，云是数据库增长最重要驱动力。得益于云数据库的迅猛发展，AWS市场份额超越IBM，成为数据库市场空间第三位，聚焦公有云、混合云构筑具备竞争力的可商用分布式数据库版本，数据库已成为公有云Top收入来源，同时通过数据库服务能够更大地提升公有云服务粘性。GaussDB Kernel面向云服务提供GaussDB产品，主要客户包含金融（银行、证券、保险）行业、政府（政务云、财政等）和大企业客户。结合产品可信要求定义及可信实施策略分析的内容，以及业界数据库厂商前沿动态，GaussDB Kernel在云服务场景中的架构目标按照一下几个维度来展开：

  • 高性能：建立基于x86平台与鲲鹏平台的绝对性能领先，鲲鹏平台相对x86平台保证50%性能优势，达到单机170万tpmC，分布式全局强一致32节点1500万tpmC，承载用户关键业务负载；具备性能韧性能力，5倍压力下性能不抖动、十倍压力下系统不崩溃，同时具备抗过载逃生能力；具备大并发、低时延能力，单节点支持1万并发、单集群支持10万级并发访问请求，ms至秒级事务处理时延，支撑政企客户核心业务负载。
  • 云原生：通过GTM-Lite技术轻量化处理全局读一致性点与写一致性点，集群扩展性达到256节点，未来通过全球时钟技术演进，在跨Region全局一致性下去除单点瓶颈；面向业务陡增等业务场景，构建基于哈希聚簇的存储结构和弹性扩容方案，实现秒级存储节点扩缩容和业务无感的计算节点弹性伸缩；构建分布式备机只读技术，只读性能提升100%以上。
  • 高可用：AZ内主备高可用，1主多备，RPO=0、RTO<10s；同城跨AZ高可用，RPO=0、RTO<60s；跨Region容灾，RPO<10s、RTO<5min；提供备份恢复、PITR、闪回、ALT等企业级高可用特性；构建基于Paxos协议的多副本高可用和并行逻辑复制技术，实现RPO=0的同城双集群高可用容灾和基于流式复制的多地多中心容灾，保证机房级、区域级、城市级故障下的数据库高可用。
  • 高安全：继承可信实施策略中安全可信需求，从安全，韧性，隐私等维度构筑安全可信能力，结合业界安全技术前沿发展，设计全密态数据库和防篡改数据库，保证用户敏感数据免于泄露和篡改；构建数据库安全自治管控方法，识别和拦截攻击者的异常行为；构建从接入、访问控制、加密到审计全方位纵深防御的安全防护体系。

  • 高智能：面向云化场景故障运维诉求，基于AI技术，提供端到端自治运维管理能力，全面提升数据库产品服务可靠性和可用性；构筑自学习数据库内核，尤其是智能优化器，解决数据库内优化执行过程中计划不准、无法自适应等难题；结合业界前沿技术，构建库内AI引擎，基于SQL-like简易语法，提供数据库内置的机器学习训练和推理能力，为用户提供普惠AI；提供向量数据库能力，支撑盘古大模型、NAIE-NetGPT和GTS领域知识库等场景，提高大模型的预测效率。

GaussDB Kernel提供的本地化版本的架构目标包括：

  • 高性能：支撑业务1千并发能力，性能达1000+ TPS；
  • 高可用：提供多种部署形态的能力：一主一备、一主多备等；
  • 高安全：支持数据库备份加密、网络连接安全管理及传输加密；支持三权分立，即数据库管理员、安全管理员、审计管理员权限职责分离；支持访问控制；
  • 高智能：提供丰富高效的DFx运维监测手段，后续朝向基于AI的自治运维调优方向发展，降低BCM相关产品或解决方案的运维成本，提升易用性；

  • 小型化：数据库安装包大小<25MB，且数据库刚启动后的底噪内存<250MB。

2 GaussDB分布式架构

2.1 GaussDB 分布式关键技术架构

  • Coordinator:  负责接收SQL请求，路由分发请求到对应的数据节点。同时维护系统元数据（路由分片信息，表定义）。



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图1 Coordinator逻辑模型

  • Datanode:  数据节点存储分片数据。副本复制采用Quorum/Paxos协议。

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图2 DN逻辑模型

  • SECURITY: 安全子系统，主要包含了Kerberos认证，登录认证，安全审计，角色管理与访问控制，安全通信，透明数据加密，防篡改账本，全密态数据，数据脱敏等功能。

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图3 安全逻辑模型

  • GTM:  全局事务管理器， 负责产生CSN号，提供全局统一快照。

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图4 GTM逻辑模型

  • CM:  集群管理系统, 主要包括 CM Agent,  CM Server和分布式配置中心。

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图5 CM逻辑模型

  • OM运维子系统，主要包括了安装，卸载，启动，停止数据库，备份恢复，升级，扩容数据库，打补丁，节点替换， 巡检功能，故障定位定界，参数管理，初始化工具及本地客户端工具。


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图6 OM逻辑模型

  • AI子系统，主要自治运维管理系统，如索引推荐、慢SQL诊断、分布键推荐；库内AI引擎；智能优化器，如智能基数估计和计划自适应选择。

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图7 AI逻辑模型

  • 驱动子系统，包括支持JDBC、ODBC、Python、GO等主流数据库驱动接口，适用于Java/C/C++/python/go 应用程序开发者。对于高级开发者而言，亦可采用libpq动态库接口和ecpg接口的方式，对数据库进行接入访问。

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图8 驱动逻辑模型

关键模块2层逻辑模型：

存储引擎模块：

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图9

SQL引擎：

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图10

兼容性和接口模块：

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图11

基础组件：

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图12

分布式管理：

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3  数据计算路由层（Coordinator）关键技术方案

GaussDB Kernel V5版本的Catalog还是本地存储, 所以还需要考虑catalog的持久化问题.未来演进元数据解耦，Coordinator 无状态, 就不需要考虑Catalog持久化问题了。但是跨节点场景下的事务提交在Coordinator上还是要持久化的。

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路由信息：每个表数据共分16384个hash bucket来存储,每个DN对应存储若干个hash bucket的数据。SQL优化器模块会根据Query的条件自动剪枝DN。

Pooler连接池：维护和每个DN连接的socket信息，缓存建立的连接。

3.1 分布式优化器

优化器的查询重写基础依赖于关系代数的等价变换。等价变换关系如下图所示：

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基于规则的查询重写，基本规则如下。

  • 常量化简：如 SELECT * FROM t1 WHERE c1=1+1; 等价于SELECT * FROM t1 WHERE c1=2;
  • 消除DISTINCT：CREATE TABLE t1(c1 INT PRIMARY KEY, c2 INT); SELECT DISTINCT(c1) FROM t1; SELECT c1 FROM t1;
  • IN谓词展开：SELECT * FROM t1 WHERE c1 IN (10,20,30); 等价于SELECT * FROM t1 WHERE c1=10 or c1=20 OR c1=30;
  • 视图展开：CREATE VIEW v1 AS (SELECT * FROM t1,t2 WHERE t1.c1=t2.c2); SELECT * FROM v1; 等价于 SELECT * FROM t1,t2 WHERE t1.c1=t2.c2;
  • 条件下移：t1 join t2 on … and t1.b=5 等价于 (t1 where t1.b=5) join t2
  • 条件传递闭包：a=b and a=3 -> b=3
  • 消除子链接：如 select * from t1 where exists(select 1 from t2 where t1.a=t2.a); 等级于 select * from t1 (semi join) (select a from t2) t2 where t1.a=t2.a;

…

查询重写规则较多，在此不一一列举。

在基于代价的查询优化技术上，主要关注三个关键问题。分别是：结果集行数估算、执行代价估算以及路径搜索。其核心目标是，为多个物理执行的代价进行评分，最后选择出一个最优的计划，输出到执行器。

行数估算方面，通过analyze手段，收集基表的统计信息，统计信息包括：各个数据表的规模、行数以及页面数等。在表中，也会统计各个列的信息，包括distinct值（该列不相同的值的个数），空值的比例，MCV（most common value，用于记录数据倾斜情况）以及直方图（用于记录数据分布情况），根据基表统计信息，估算过滤、join的中间结果统计信息。未来将基于AI进行多维度统计信息收集，收集更准确的行数信息，以辅助更优的计划选择。

执行代价估算方面，根据数据量估算不同算子的执行代价，各个执行算子的代价之和即为执行计划的总代价。算子的代价，主要包含几个方面：CPU代价、IO代价、网络代价（分布式多分片场景）等。未来需要根据物理环境的不同，调整不同算子的执行代价比例，同时通过AI技术构建更精准的代价模型。

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路径搜索方面，GaussDB Kernel V5采用自底向上的路径搜索算法，对于单表访问路径，一般有两种：

  • 全表扫描：对表中的数据逐个访问。

  • 索引扫描：借助索引来访问表中的数据，通常需要结合谓词一起使用。

优化器首先根据表的数据量、过滤条件、和可用的索引结合代价模型来估算各种不同扫描路径的代价。例如：给定表定义CREATE TABLE t1(c1 int); 如果表中数据为1,2,3…100000000连续的整型值并且在c1列上有B+树索引，那么对于SELECT * FROM t1 WHERE c1=1; 来说，只要读取1个索引页面和1个表页面就可以获取到数据。然而对于全表扫描，需要读取1亿条数据才能获取同样的结果。在这种情况下索引扫描的路径胜出。

索引扫描并不是在所有情况下都优于全表扫描，它们的优劣取决于过滤条件能够过滤掉多少数据，通常数据库管理系统会采用B+树来建立索引，如果在选择率比较高的情况下，B+树索引会带来大量的随机I/O，这会降低索引扫描算子的访问效率。比如SELECT * FROM t1 WHERE c1>0;这条语句，索引扫描需要访问索引中的全部数据和表中的全部数据，并且带来巨量的随机I/O，而全表扫描只需要顺序的访问表中的全部数据，因此在这种情况下，全表扫描的代价更低。

多表路径生成的难点主要在于如何枚举所有的表连接顺序（Join Reorder）和连接算法（Join Algorithm）。假设有两个表t1和t2做JOIN操作，根据关系代数中的交换律原则，可以枚举的连接顺序有t1 × t2和t2 × t1两种，JOIN的物理连接算子有Hash Join、Nested Loop Join、Merge Join三种类型。这样一来，可供选择的路径有6种之多。这个数量随着表的增多会呈指数级增长，因此高效的搜索算法显得至关重要。GaussDB Kernel 通常采用自底向上的路径搜索方法，首先生成了每个表的扫描路径，这些扫描路径在执行计划的最底层（第一层），在第二层开始考虑两表连接的最优路径，即枚举计算出每两表连接的可能性，在第三层考虑三表连接的最优路径，即枚举计算出三表连接的可能性，直到最顶层为止生成全局最优的执行计划。假设有4个表做JOIN操作，它们的连接路径生成过程如下：

  • 单表最优路径：依次生成{1}，{2}，{3}，{4}单表的最优路径。

  • 二表最优路径：依次生成{1 2}，{1 3}，{1 4}，{2 3}，{2 4}，{3 4}的最优路径。

  • 三表最优路径：依次生成{1 2 3}，{1 2 4}，{2 3 4}，{1 3 4}的最优路径。

  • 四表最优路径：生成{1 2 3 4}的最优路径即为最终路径。

多表路径问题核心为Join Order，这是NP（Nondeterministic Polynomially，非确定性多项式）类问题，在多个关系连接中找出最优路径，比较常用的算法是基于代价的动态规划算法，随着关联表个数的增多，会发生表搜索空间膨胀的问题，进而影响优化器路径选择的效率，可以采用基于代价的遗传算法等随机搜索算法来解决。

另外为了防止搜索空间过大，可以采用下列三种剪枝策略：

  • 尽可能先考虑有连接条件的路径，尽量推迟笛卡尔积。

  • 在搜索的过程中基于代价估算对执行路径采用LowBound剪枝，放弃一些代价较高的执行路径。

  • 保留具有特殊物理属性的执行路径，例如有些执行路径的结果具有有序性的特点，这些执行路径可能在后序的优化过程中避免再次排序。

分布式执行计划生成方面，相关关键技术流程如图所示：

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图16 分布式执行计划生成


3.2 分布式执行框架

GaussDB Kernel V5 执行框架位于SQL优化器与存储引擎之间，负责根据优化器输出的执行计划，执行数据存取以及相关的计算操作，将相关结果返回到客户端。其目标是，更好地利用各个节点的计算资源，更快地完成执行任务，并返回结果。

  • 单节点执行引擎：GaussDB Kernel V5 支持行存表的行执行引擎，以及列存表向量化执行引擎，提供Adaptor算子（RowAdapter，VectorAdapter）支持行列存储的自适应切换。对于行执行引擎来说，经过逐层的算子处理，一次处理一个元组，直到再无元组为止，详细过程不在此处赘述。对于列执行引擎来说，一次处理一个batch，尽量读取更多的数据，减少IO的次数，提供高CPU的利用效率，流水线执行过程中，调用次数尽量少。

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执行算子主要功能详细列表如下。

扫描算子（Scan Plan Node）：扫描节点负责从底层数据来源抽取数据，数据来源可能是来自文件系统，也可能来自网络（分布式查询）。一般而言扫描节点都位于执行树的叶子节点，作为执行数的数据输入来源，典型代表SeqScan、IndexScan、SubQueryScan。

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控制算子（Control Plan Node）：控制算子一般不映射代数运算符，是为了执行器完成一些特殊的流程引入的算子，例如Limit、RecursiveUnion、Union

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物化算子（Materialize Plan Node）：物化算子一般指算法要求，在做算子逻辑处理的时候，要求把下层的数据进行缓存处理，因为对于下层算子返回的数据量不可提前预知，因此需要在算法上考虑数据无法全部放置到内存的情况，例如Agg、Sort

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连接算子（Join Plan Node）：这类算子是为了应对数据库中最常见的关联操作，Join表关联。

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  • 线程池模型

每个组件 CN,  DN,  GTM， CMS  都是独立进程模型，  每个进程内部采用线程池模型。

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  • ThreadPoolControler：线程池总控，负责线程池的初始化和资源管理
  • ThreadSessionControler ：会话生命周期管理
  • ThreadPoolGroup：线程组，可以定义灵活的线程数量和帮核策略
  • ThreadPoolListener: 监听线程，负责事件的分发和管理

  • ThreadPoolWorker: 工作线程

设计关键要点：

  • 线程池根据CPU的core分成多个thread group
  • 每个thread group里有一个listen thread和多个worker thread
  • listern thread负责监听一批活动连接，同时分配任务给worker thread
  • worker thread以事务维度接受任务派发来执行

本篇中，GaussDB架构从GaussDB 关键架构目标、GaussDB分布式架构、数据计算路由层（Coordinator）关键技术方案等三方面展开了介绍，下篇文章将从数据持久化存取层(DataNode)关键技术方案、全局事务管理层（GTM）关键技术方案、集群管理层（CM）关键技术方案等方面介绍GaussDB架构，敬请期待！

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