新发布的自研数据库 OceanBase 有哪些看点？

Posted 2021-04-29 阿里技术

阿里妹导读：2020 年 3 月，自研分布式关系数据库  OceanBase 在公有云上正式对外开放。本文将通过相关技术解读带你全面 了解 OceanBase 的架构及优势。

一、公共云 OceanBase 服务端部署

自研分布式关系数据库 OceanBase 是一款纯原生的分布式关系数据库，在代码层面完全可控。公共云 OceanBase 产品（图 1-1）是基于三份副本 3AZ 部署，通过 paxos 协议保证了多节点间的数据一致性，单点故障甚至单 AZ 故障，也可以保障业务连续性，RPO = 0，RTO < 30s，做到机房级高可用，未来还将推出三地五中心的产品形态，具备城市级高可用切换能力。同时，OceanBase 的资源管理具有非常高的灵活性。它支持多租户部署，在 OceanBase 集群里面，我们可以按需分配实例，并且可以进行在线资源扩容或者缩容。

从安全性和可用性来讲，OceanBase 是非常适合金融业务场景的。因为监管需求，金融业务场景（像银行业务等）不能上公有云。但是这并不影响类金融业务，像保险、基金等。

图 1-1

二、OceanBase 架构原理

与大多数分布式系统不同的地方在于，OceanBase 这个系统没有单独的总控服务器或者总控进程。分布式系统一般包含一个单独的总控进程，用来做全局管理、负载均衡，等等。OceanBase 没有单独的总控进程，它的总控是一个服务，叫做 RootService，集成在 ObServer 里面。OceanBase 会从所有的工作机中动态地选出一台 ObServer 执行总控服务，另外，当总控服务所在的 ObServer 出现故障时，系统会自动选举一台新的 ObServer 提供总控服务。这种方式的好处在于简化部署，虽然实现很复杂，但是大大降低了使用成本。

OceanBase 通过分区能力做到无限水平扩展（图 1-2）。OceanBase 跟传统数据库分区不一样的地方，在于传统数据库所有的分区只能在一台服务器，而 OceanBase 每个分区可以分布到不同的服务器，每个分区都有三副本。从数据模型的角度看，OceanBase 可以被认为是传统的数据库分区表在多机的实现。它可以把不同的用户生成的数据全部融合到统一的表里面。无论这些分区在多台服务器上是如何分布的，整个系统对用户呈现的都是一张表，后台实现对用户完全透明。OceanBase 在用户入口使用了 OBProxy，它是一个访问代理，它会根据用户请求的数据将请求转发到合适的服务器。OBProxy 的最大的亮点在于性能突出，它可以在非常一般的普通服务器上达到每秒百万级的处理能力。

图 1-2

如图 1-2，多个分区分布在多台服务器上。由于多个分区跨 ObServer，内部通过两阶段提交实现分布式事务。当然，两阶段提交协议性能较差，OceanBase 内部做了很多优化。它提出了分区组的概念，会把多个经常一起访问，或者说访问模式比较类似的不同表的分区放到一个分区组里面。OB 后台会将同一个分区组尽可能调度到一台服务器上，避免分布式事务。同时优化了两阶段提交协议的内部实现。两阶段提交协议涉及多台服务器，协议中包含协调者、参与者这两种角色，参与者维护了每台服务器的局部状态，协调者维护了分布式事务的全局状态。常见的做法是对协调者记日志来持久化分布式事务的全局状态，而 OceanBase 的做法是，如果出现故障，通过查询所有参与者的状态来恢复分布式事务。这种方式节省了协调者日志，而且只要所有的参与者都预提交成功，整个事务就成功了，不需要等协调者写日志就可以应答客户端。

三、OceanBase 存储架构

OceanBase 是一个 shared noting 的架构，每一个 OBServer 都有独立的存储引擎，将数据保存在本地，这样可以满足容灾场景下的数据连续服务。OceanBase 采用 LSM-Tree 的架构来设计 Cache 和数据存储，数据首先被写入内存中的 MemTable 当中，这样最高频和最活跃的数据都在内存访问，极大的提升了热数据的访问效率。当MemTable 的写入到达一个阈值的时候，MemTable 中的数据会做一次合并，将数据转到磁盘的 SSTable 中。在很多基于 LSM Tree 的存储系统中，为了解决写入的性能问题，通常会将 SSTable 分为多层，当一层的 SSTable 个数或者大小达到某个阈值时，合并入下一层 SSTable。

图 1-3

在 OceanBase 内部，也会有很多种不同类型的 Cache，有类似于 Oracle 和 mysql 的 buffer。Cache 用于缓存 sstable 数据的块缓存，还有用于缓存数据行的行缓存、日志缓存、位置缓存等等。基线数据缓存到内存中提升查询性能。对于不同租户，每个租户都有自己独立的缓存，可以配置对应租户内存使用的上下限，做到租户隔离或者抢占超卖，适用于不同需求的场景。

在存储成本上，OceanBase 采用了多种数据压缩算法，例如 lz4、zstd 等。OceanBase 会对数据集做两层瘦身，第一层是 encoding，会使用字典、RLE等算法对数据做瘦身，第二层是通用压缩，使用 lz4 等压缩算法对 encoding 之后的数据再做一次瘦身。在 zstd 算法下，相较传统 MySQL Innodb 的压缩，可以做到相同数据集只是用 MySQL 的 1/3 的存储，帮助用户极大的节省存储成本。更重要的是，传统数据库定长页的设计压缩不可避免的会造成存储的空洞，压缩效率会受影响，而 OB 这样的 LSM-tree 架构的存储系统，压缩对数据写入性能是 0 影响的。

四、OceanBase SQL 引擎

OceanBase 的租户支持 Oracle 和 MySQL 两种 SQL 兼容性，首先相较于传统 MySQL，OB 除了硬解析以外，与 Oracle 一样支持软解析，同时解析器还支持 SQL 参数化以及绑定变量，如图 1-4 所示，解析器将解析后的 SQL 模板以及执行计划放在 plan cache 中，已经存在 plan cache 中的 SQL 就可以省去每一次硬解析带来的开销，提升了 SQL 运行效率。

图 1-4

基于 LSM-Tree 的存储架构，OB 设计了一套独特的代价模型，引入统计信息，拥有了基于代码模型的优化器，这意味着 OB 可以根据统计信息，计算每条 SQL 的最优访问路径，给出最优的执行计划。同时 OB 也可以根据用户的需求，在线动态绑定固化执行计划，针对应急、效率的场景可以很好的提供便捷性。在执行器方面，OB 不仅仅支持Nest Loop 的 Join 方式，同时也支持了 Hash Join、Merge Join，针对大表 Join 提高效率。还支持并发执行、分布式 SQL 等等。

五、OceanBase 的 AACID 特性

OceanBase 是一个分布式的关系型数据库，符合 ACID 原则。在传统 ACID 的基础上，OceanBase 特别强调多了一个 A，可用性。基于 Paxos 协议的多副本日志复制，可以在单点故障的情况下提供无数据丢失的业务连续性。在一致性上，OB 采用 MVCC 的多版本一致读，当数据块被更新时，OB 会新开启一个数据块并带上数据版本于事务 id，只有事务内的 SQL 可以访问到，未提交的数据不会被其他会话访问当。隔离性上，OB 支持 Oracle 的提交读和串行化两种事务隔离级别，对 Oracle 做到了很好的兼容。在持久性上，和大多数传统数据库一样的日志先行，事务提交的时候先保证 redo 日志的写成功后才写数据，出现异常情况时不会存在数据二义性。

在数据安全上，OB 也做了多种保护措施，最大程度的保障数据安全。比如回收站机制，在租户级别设置回收站的开关，当回收站打开的状态下，drop table、truncate 的情况下数据不会被立马删除，而是进入了回收站，在回收站保留有效期内，都可以通过 flashback 的命令将表恢复原状，极大程度上避免了误操作带来的一些风险。

针对 delete、update 这种数据修改类的操作，OB 支持基于位点的 Flashback Query 来将数据恢复到某一个时间点，这样针对业务或者运维过程中的错误 SQL 执行，具备数据找回能力。同时在 Oracle 租户下，还支持 as of timestam/scn 这种查询。

2019 年 10 月，OceanBase 斩获 TPC-C 性能测试榜首。创造了 tpmc6088 万的世界记录，是前任榜首 Oracle 的 2 倍。同年十一月份，在支付宝的双十一大促中又创造了 6100 万笔/秒的支付峰值，再次打破世界记录。经过多次极端业务的考验，OceanBase 证明，在性能、可靠性、可用性上，分布式数据库是可以和集中式数据库媲美的。传统的商业数据库，如 Oracle、SQL Server、DB2 都依赖高端的硬件设备（小机，存储，还有光纤网络），但是 OceanBase 只需要普通的 PC 服务器，SSD 盘、万兆网络就行。而且它还具有高存储压缩率。OceanBase 上云后，目前除了数据库本身是按规格收费、迁移服务按小时收费外，其它管理平台（OCP、ODC、OTA）是免费的。通过OCP 可以方便地管理集群、租户、数据库。用户，监控租户和节点的性能。通过 ODC 可以方便地管理和维护数据库对象（表/视图/函数/存储过程等）。使用其 SQLConsole可以便捷地操作数据库。通过 OTA，可以及时发现当前业务库存在问题的 SQL，提供优化建议，绑定执行计划。使用这些平台可以使运维操作白屏化，降低了运维难度。

未来，OceanBase 将会根据用户需求提供更多实用、高效的特性，同时周边生态产品的功能也会越来越完善，敬请期待。

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