摘  要： 云數(shù)據(jù)庫是把各種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫看成一系列簡(jiǎn)單的二維表,，并基于簡(jiǎn)化版本的SQL或訪問對(duì)象進(jìn)行操作的數(shù)據(jù)庫。云數(shù)據(jù)庫能夠?yàn)槎鄠€(gè)用戶同時(shí)提供類似于單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的服務(wù),。在當(dāng)前云計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展中,，數(shù)據(jù)庫不斷發(fā)展進(jìn)化，從原始的單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫逐漸發(fā)展成為云數(shù)據(jù)庫,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力相對(duì)于過去提高了數(shù)倍,。目前云數(shù)據(jù)庫服務(wù)不斷增多，在此背景下,，討論了一種云數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與核心子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),。

　　關(guān)鍵詞： 云數(shù)據(jù)庫；云計(jì)算,；數(shù)據(jù)分布,；高可用；一致性hash

　　隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷增長(zhǎng),，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來建立云數(shù)據(jù)庫中心已經(jīng)成為可能,。近年來，云數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為數(shù)據(jù)庫發(fā)展的新趨勢(shì),。云數(shù)據(jù)庫可以將分散在各個(gè)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫資源有效地組織利用起來,，構(gòu)成海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。云數(shù)據(jù)庫能夠更快地、更好地解決各個(gè)客戶海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題,，能夠打破傳統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)帶寬和磁盤I/O的限制,，為客戶提供高帶寬、高I/O,、高并發(fā)的數(shù)據(jù)連接服務(wù),。同時(shí)，云數(shù)據(jù)庫中心具有系統(tǒng)設(shè)備利用率高,、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)容方便,、數(shù)據(jù)的多備份、數(shù)據(jù)高可用等特點(diǎn),。本文對(duì)云數(shù)據(jù)庫的各功能模塊進(jìn)行研究,，并分析了各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方式。

1 云數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

　　云數(shù)據(jù)庫建立在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)庫中心,，能夠同時(shí)為多個(gè)客戶提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)，并且其互相之間不影響,。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,。

　　云數(shù)據(jù)庫對(duì)外提供統(tǒng)一的API，統(tǒng)一的API能夠屏蔽云數(shù)據(jù)庫內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),。對(duì)外提供一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫連接協(xié)議,，使用戶能夠通過不同的編程語言、不同的連接工具進(jìn)行連接使用,。

　　云數(shù)據(jù)庫的核心服務(wù)是為用戶提供數(shù)據(jù)庫服務(wù),，其主要功能有：

　　（1）用戶檢測(cè),。引進(jìn)用戶認(rèn)證系統(tǒng)檢測(cè)多用戶狀態(tài),，認(rèn)證系統(tǒng)在用戶登錄、退出時(shí)進(jìn)行狀態(tài)記錄,，在用戶每次進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí),，必須確定該操作是否安全。

　?。?）安全檢測(cè),。安全系統(tǒng)全程監(jiān)控用戶的操作，以確認(rèn)用戶的操作對(duì)數(shù)據(jù)庫中其他用戶和數(shù)據(jù)庫整體安全沒有影響,，以及檢測(cè)來自網(wǎng)絡(luò)上的各種數(shù)據(jù)庫的攻擊,。

　　（3）多租戶,。云數(shù)據(jù)庫多租戶服務(wù)是為解決多個(gè)用戶同時(shí)接入云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,。多個(gè)用戶同時(shí)接入云數(shù)據(jù)庫，不僅要求各個(gè)用戶之間互相隔離,，而且要求各個(gè)用戶之間的數(shù)據(jù)互不影響,，各個(gè)用戶只能訪問自己的數(shù)據(jù)庫,。

　　（4）數(shù)據(jù)分布,。為了存儲(chǔ)用戶的海量數(shù)據(jù),，將用戶的數(shù)據(jù)分布在數(shù)據(jù)庫集群中不同的節(jié)點(diǎn)上，這樣不僅方便系統(tǒng)的擴(kuò)容,，而且數(shù)據(jù)I/O操作被分配到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,。數(shù)據(jù)的分布使用一致性hash[1]算法，保證在加入節(jié)點(diǎn)時(shí),，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)以最小的代價(jià)擴(kuò)展到新節(jié)點(diǎn)中,。

　　（5）數(shù)據(jù)高可用,。云數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)每份至少需要存在于3個(gè)副本中,，3個(gè)副本進(jìn)行實(shí)時(shí)同步，當(dāng)某一數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),，數(shù)據(jù)能夠在其他節(jié)點(diǎn)正常讀取,。多副本的存在，還可以使用負(fù)載均衡算法,，把數(shù)據(jù)I/O操作分散到負(fù)載低的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)[2],。

　　（6）緩存,?；诖髷?shù)據(jù)的負(fù)載特性，以內(nèi)存作為存儲(chǔ)介質(zhì),，用以解決數(shù)據(jù)查詢性能延遲的問題[3],。使用Memcached或者Redis緩存系統(tǒng)[4]，將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存,，讀寫時(shí)若能命中,，系統(tǒng)的I/O能力至少能夠提高8~10個(gè)數(shù)量級(jí)。

　?。?）數(shù)據(jù)快照,。數(shù)據(jù)快照功能能夠在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)給用戶數(shù)據(jù)生成快照，該快照能夠供用戶下載保存,，同時(shí)用戶能夠把數(shù)據(jù)回滾至該快照,。

　　數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)集群提供用戶數(shù)據(jù)實(shí)際的保存位置，該集群一般由多個(gè)數(shù)據(jù)庫中心組成,，各個(gè)數(shù)據(jù)庫中心的數(shù)據(jù)互相備份,，以保證在一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫中心遭到災(zāi)難性損壞時(shí)，云數(shù)據(jù)庫依然能夠正常運(yùn)行。當(dāng)各個(gè)數(shù)據(jù)庫中心的節(jié)點(diǎn)無法提供足夠容量時(shí),，可以動(dòng)態(tài)地,、無需關(guān)機(jī)地添加數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)至云數(shù)據(jù)庫中心。

2 云數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)

　　云數(shù)據(jù)庫為了實(shí)現(xiàn)高擴(kuò)展性,，所有子系統(tǒng)均由單獨(dú)模塊構(gòu)成,，所有模塊均可由新的相關(guān)功能模塊代替。云數(shù)據(jù)庫核心模塊包括：安全審計(jì)模塊,、通信模塊,、SQL解析模塊、路由管理模塊,、消息分發(fā)模塊,、策略管理模塊、緩存模塊,、消息處理,、結(jié)果集處理模塊、數(shù)據(jù)快照模塊,。

　　2.1 系統(tǒng)核心流程

　　應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)庫請(qǐng)求,，云數(shù)據(jù)庫通過通信管理模塊接收到請(qǐng)求，調(diào)用安全審計(jì)模塊進(jìn)行安全審計(jì)[5],。安全審計(jì)模塊負(fù)責(zé)所有云數(shù)據(jù)庫連接的安全管理。通信管理模塊管理內(nèi)部消息的編碼解碼工作,，管理著內(nèi)部所有的連接對(duì)象,。

　　連接對(duì)象將消息轉(zhuǎn)發(fā)給消息轉(zhuǎn)換模塊；消息轉(zhuǎn)換模塊將發(fā)送過來的消息進(jìn)行包協(xié)議處理,，然后發(fā)送給SQL解析模塊,；SQL解析模塊生成相應(yīng)的SQL對(duì)象。SQL解析模塊有SQL解析和SQL過濾功能,，能夠過濾掉SQL中非法的字符串等,。

　　SQL對(duì)象將數(shù)據(jù)流交給路由管理模塊。路由管理模塊進(jìn)行SQL路由解析,、SQL分發(fā)等SQL操作,。同時(shí)，路由管理模塊監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)池中的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的心跳信息,。路由管理模塊的配置只能由云數(shù)據(jù)庫管理員進(jìn)行操作,，其中配置規(guī)則包括：路由規(guī)則、虛擬節(jié)點(diǎn)規(guī)則,、物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)規(guī)則和數(shù)據(jù)快照規(guī)則,。同時(shí)，數(shù)據(jù)快照功能直接作用于路由管理模塊，通過路由管理模塊的消息分發(fā)功能把快照命令發(fā)送到物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)中,。

　　策略管理模塊管理物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)切分規(guī)則,。數(shù)據(jù)切分規(guī)則使用一致性hash算法進(jìn)行數(shù)據(jù)切分，當(dāng)添加新的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)池中時(shí),，能夠以最小的代價(jià)把數(shù)據(jù)遷移至新節(jié)點(diǎn)中,。同時(shí)，云數(shù)據(jù)庫服務(wù)能夠保證在不影響用戶使用的情況下能夠完成節(jié)點(diǎn)的加入以及數(shù)據(jù)的遷移,。

　　消息分發(fā)模塊接收來自路由管理模塊發(fā)送的消息隊(duì)列,，把消息隊(duì)列中的消息按照規(guī)則發(fā)送至相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)操作,。把數(shù)據(jù)庫操作完成返回的信息通過結(jié)果集返回給結(jié)果集合并器,，結(jié)果集合并器將合并的結(jié)果返回給通信管理模塊，最終響應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的請(qǐng)求,。當(dāng)然,，如果云數(shù)據(jù)庫接入緩存系統(tǒng)，消息分發(fā)器首先會(huì)從緩存中查詢是否有需要的數(shù)據(jù)信息,。如果有,，直接操作緩存中的數(shù)據(jù)并返回給應(yīng)用系統(tǒng)；如果沒有,，則從數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中查詢出需要的數(shù)據(jù),，并保存至緩存系統(tǒng)中，以備下次使用,。

　　云數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)流圖如圖2所示,。

　　2.2 核心子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　本文所描述的云數(shù)據(jù)庫多租戶技術(shù)采用共享數(shù)據(jù)、隔離數(shù)據(jù)庫的架構(gòu),。物理數(shù)據(jù)庫使用數(shù)據(jù)庫集群中的數(shù)據(jù)庫,。當(dāng)初始化一個(gè)用戶時(shí)，默認(rèn)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫實(shí)例分配給該用戶使用,，該用戶所有數(shù)據(jù)操作都在此數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行,。用戶可以創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫實(shí)例，為了確保系統(tǒng)資源的合理使用,，用戶創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫實(shí)例數(shù)量是一定的,。如果兩個(gè)用戶創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫實(shí)例名稱相同，云數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)用戶的信息和用戶輸入的信息進(jìn)行md5值計(jì)算,，使用md5值作為創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫實(shí)例的名稱,。云數(shù)據(jù)庫把用戶信息、用戶輸入的信息和生成的md5值進(jìn)行對(duì)應(yīng)保存,，每次訪問時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,。

　　云數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存放方式是根據(jù)數(shù)據(jù)不同的存放方式進(jìn)行設(shè)置的,。本文在此提出一種經(jīng)過大量實(shí)踐總結(jié)而得出的切分方式，該切分方式可以保證云數(shù)據(jù)庫在不減少性能損失的情況下,，高效,、快捷地切分?jǐn)?shù)據(jù)。同時(shí),，在增加新的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)時(shí),，能夠使數(shù)據(jù)的遷移代價(jià)降到最低。

　　一致性hash算法的出現(xiàn)就是為了解決分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分布的問題,。要使用一致性hash算法,，首先，將需要映射的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過hash算法計(jì)算出其hash值,，并分布在hash環(huán)上,；其次，將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過hash算法,，獲得其hash值,，并映射到hash環(huán)上；最后,，從數(shù)據(jù)映射到的位置順時(shí)針開始查找,，將數(shù)據(jù)保存在找到的第一個(gè)數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)中。232與0重合,，超過232則從0位置開始尋找數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn),，如圖3所示。

　　例如,，存放數(shù)據(jù)的物理數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)為4個(gè),，則計(jì)算這4個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的hash值，并分布在hash環(huán)上,。一條數(shù)據(jù)寫入后，系統(tǒng)首先生成其唯一的ID,，并計(jì)算該ID值對(duì)應(yīng)的hash值,，根據(jù)hash值映射到hash環(huán)上，順時(shí)針尋找第一個(gè)遇到的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn),，將數(shù)據(jù)保存至該節(jié)點(diǎn)中,。假設(shè)該hash值落在數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)1與數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)2之間，則順時(shí)針找到的第一個(gè)數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)為2,，數(shù)據(jù)最終會(huì)被保存在節(jié)點(diǎn)2中,。

　　如果，在數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)2和數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)3中增加一個(gè)數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)5,，則數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)2到數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)5中間的數(shù)據(jù)需要重新映射到數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)5中,。數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)3刪除數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)2到數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)5之間的數(shù)據(jù),，如圖4所示。

　　數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)保存的數(shù)據(jù)都有多個(gè)備份,，以防止單點(diǎn)的出現(xiàn),。同時(shí)，在數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)增加或刪除時(shí),，可以使用備份節(jié)點(diǎn)提供服務(wù),，從而使得整個(gè)云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)無需停機(jī)就能夠完成節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展、移除,。

　　云數(shù)據(jù)庫中的通信管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)云數(shù)據(jù)庫中應(yīng)用系統(tǒng)到云數(shù)據(jù)庫之間通信過程的檢測(cè),。安全審計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)使用了防火墻技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了數(shù)據(jù)過濾,、包過濾技術(shù),。其核心是安全審計(jì)規(guī)則，規(guī)則配置得是否合理是安全審計(jì)系統(tǒng)能否正常,、高效運(yùn)行的基礎(chǔ),。

　　為了兼容多種應(yīng)用使用不同的連接方式連接至云數(shù)據(jù)庫，云數(shù)據(jù)庫中通信管理系統(tǒng)配置了多種消息編碼,、解碼規(guī)則,。當(dāng)使用不同數(shù)據(jù)庫協(xié)議進(jìn)行連接時(shí)，通信管理系統(tǒng)調(diào)用不同的規(guī)則進(jìn)行編碼,、解碼后,，數(shù)據(jù)信息存放到數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中。例如,，當(dāng)使用MySQL協(xié)議連接云數(shù)據(jù)庫時(shí),，云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信管理模塊使用MySQL協(xié)議解碼連接，當(dāng)需要發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)果時(shí),，通信管理模塊使用MySQL協(xié)議進(jìn)行編碼,。使用其他協(xié)議連接時(shí)，其過程相同,。為了使云數(shù)據(jù)庫兼容更多的協(xié)議,，不能使用某個(gè)數(shù)據(jù)庫的方言，應(yīng)該使用基于標(biāo)準(zhǔn)的SQL語言,。

　　云數(shù)據(jù)庫中存放數(shù)據(jù)的物理節(jié)點(diǎn)可以使用多種不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),。當(dāng)不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接入云數(shù)據(jù)庫時(shí)，云數(shù)據(jù)庫使用后端中對(duì)應(yīng)的連接協(xié)議連接數(shù)據(jù)庫,。使用該方法能夠使云數(shù)據(jù)庫兼容多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),，提高系統(tǒng)的可用性。

　　路由管理模塊是云數(shù)據(jù)庫核心模塊之一,。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)分為虛擬節(jié)點(diǎn),、物理節(jié)點(diǎn),。物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)組成虛擬節(jié)點(diǎn)，多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)組成更大的虛擬節(jié)點(diǎn),。每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)云數(shù)據(jù)庫來說就是一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn),，云數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)的存取就是對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)的操作。虛擬節(jié)點(diǎn)中一般有多個(gè)物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn),，并且數(shù)據(jù)互為備份,。當(dāng)其中某個(gè)物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，路由管理模塊中的心跳檢測(cè)機(jī)制能夠立即獲得節(jié)點(diǎn)掉線信息,，并且把該物理數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)操作分散到備份節(jié)點(diǎn)中,。

　　路由管理模塊能夠把SQL解析器解析的SQL對(duì)象分發(fā)到不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中。路由管理模塊的核心是路由規(guī)則,，在該規(guī)則中,，記錄該管理器下所有的節(jié)點(diǎn)配置信息，包括連接數(shù),、連接時(shí)長(zhǎng),、超時(shí)時(shí)長(zhǎng)等所有基本信息。同時(shí),，路由管理器還提供用戶虛擬數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),、物理節(jié)點(diǎn)及用戶數(shù)據(jù)庫容量使用接口API查詢的功能。

3 性能測(cè)試

　　測(cè)試環(huán)境為：（1）云數(shù)據(jù)庫服務(wù)平臺(tái)：IBM高性能服務(wù)器,，磁盤≥100 GB,，內(nèi)存≥16 GB，網(wǎng)絡(luò)≥100 Mb/s,，數(shù)量1臺(tái),；運(yùn)行環(huán)境：Linux。（2）數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)：IBM刀片機(jī),，磁盤空間≥1T,，內(nèi)存≥4 GB，網(wǎng)絡(luò)≥100 Mb/s,，數(shù)量4臺(tái),，運(yùn)行環(huán)境：Linux。

　　測(cè)試環(huán)境架構(gòu)圖如圖5所示,。

　　測(cè)試采用4臺(tái)數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，兩兩備份,，云數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)生成ID切分,，分別寫入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫1和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫3。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫2和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫4作為讀數(shù)據(jù)庫,。表1是100線程并發(fā)數(shù)測(cè)試結(jié)果,，表2是500線程并發(fā)數(shù)測(cè)試結(jié)果,。

　　從測(cè)試結(jié)果可以總結(jié)出，云數(shù)據(jù)庫中單個(gè)用戶的并發(fā)數(shù)在500以下,，不存在性能瓶頸問題,；云數(shù)據(jù)庫的性能與服務(wù)器的配置存在很大的關(guān)系；云數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)的增加對(duì)于服務(wù)的讀性能有很大提高,，基本成水平增長(zhǎng),；數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)的寫性能在不開通事務(wù)的情況下也隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增加，在開通事務(wù)時(shí),，對(duì)寫性能的影響很大,。

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