Aurora 论文阅读
本文最后更新于：2 年前
相关背景
Amazon Aurora 是一种与 MySQL 和 PostgreSQL 兼容的关系数据库，专为云而打造，既具有传统企业数据库的性能和可用性，又具有开源数据库的简单性和成本效益。
Amazon Aurora 的速度最高可以达到标准 MySQL 数据库的五倍、标准 PostgreSQL 数据库的三倍。它可以实现商用数据库的安全性、可用性和可靠性，而成本只有商用数据库的 1/10。
关于 Amazon Aurora 的进一步细节，可以参考 AWS 官网。
2017 年，Amazon 在 SIGMOD 上发表了 Aurora 的论文，详细介绍了 Aurora 的设计思路和架构细节，以下顺着 6.824 课程的思路对 Amazon Aurora 进行简单的介绍。
EC2（Elastic Compute Cloud）
EC2 是 Amazon 最成功的云计算产品之一，用户可以租用 EC2 实例来部署网页或数据库服务等等，EC2 可以服务支持在线扩容，实时备份等功能。
最开始每个 EC2 实例往往以虚拟机的形式运行在物理节点上，其所有的磁盘 IO 都会通过虚拟机转化到对应的物理节点本地挂载的物理磁盘上。
对于无状态的网页服务，EC2 使用起来十分方便，因为其不需要关注容错，且很容易通过横向扩展 + 负载均衡的方式来提升性能。
对于有状态的数据库服务，比如 MYSQL，EC2 使用起来有一些缺点：
- 受限的扩展：类似于 MYSQL 读写分离，单机 MYSQL 在 EC2 上可以做到读扩展，但不能做到写扩展。
- 受限的容错：由于没有做冗余备份，物理节点一旦挂了，其磁盘上的数据暂时不可用。
EBS（Elastic Block Store）
基于以上 EC2 支持 MYSQL 服务的缺点，Amazon 设计了 EBS 来进一步提升容错能力。
EBS 是一组具有容错能力的存储服务器，对外的抽象类似于 EC2 实例的磁盘，其利用默认副本数为 2 的 Chain Replication 和基于 Paxos 的配置管理器实现了容错。
这样其实是将 EC2 从有状态变成了无状态，一旦某个 EC2 宕机，另外启动一个 EC2 实例挂载相同的 EBS 即可恢复之前的状态。
然而，这样的设计依然具有一些缺点：
- 巨大的数据流量：由于 EBS 对外的抽象类似于磁盘，所以对于 MYSQL 来说，其脏页和 redo 日志都会被同步到 EBS 中去，尤其对于前者，即使只改动了一个 page 中的一个字节也需要传输整个 page。
- 依然受限的容错：EC2-on-EBS 虽然比 EC2-on-Local-Disk 的容错性高，但处于 Chain Replication 的性能考虑，一组 EBS 服务器一定会在一个 AZ（Amazon 对机房或数据中心的抽象）中。因此，其对于某个 AZ 的断电，洪水等灾害依然无法能够做到容错。
RDS（Relational Database Service）
基于 EBS 的缺点，Amazon 又提供了 DBaaS（database-as-a-service） 的云服务 RDS，该服务的目标是提供跨 AZ 的容错，其架构图如下所示：
与 EBS 相比，RDS 的容错性更强，但由于同步时需要跨 AZ，这导致数据写性能进一步下降，而且在没有减少数据流量的同时还增加了巨大的跨 AZ 流量。
Aurora
基于以上服务的缺点，Amazon 明确了其理想的容错和性能需求：
- 即使一个 AZ 断电，写服务依然正常。
- 即使一个 AZ 断电 + 另一个副本不可用，读服务依然正常，该需求被称作 AZ + 1。
- 容忍个别慢副本对性能造成的影响。
- 能够快速修复宕机的副本。
基于以上需求，Amazon 设计出了兼容 Mysql 协议的云数据库 Aurora，其架构图如下所示：
Aurora 主要有两个创新点，他们共同使得 Aurora 相比 RDS 版的 MYSQL 有了 35 倍的性能提升：
- quorum 写：采用了 2+2+2 的三中心六副本部署方案。写只需要四个副本返回 ack 即可，这样即可满足上述对容错能力和性能的需求。
- 减少数据同步流量：使存储服务器具备将日志应用到 page 的能力，这样即可只同步物理日志而不同步脏页，从而减少大量的数据同步流量。
对于 Aurora 的读写流程和一致模型，可以参考此 博客 和此 博客。
值得一提的是：为了存储层可扩展，Aurora 会将数据库文件切分成 10GB 大小的 segment，每个 segment 可以保存在不同的 6 个副本上，这保证了存储层的可扩展。然而由于只会有一个可写实例，所以其计算层并无法扩展，因此对于高并发大数据量的场景，还是需要分库分表。
总结一下：Aurora 通过对 IO 链路的优化和 quorum 写相比 RDS 版的 MYSQL 性能提升了 35 倍，但其本质上仍然是一个单机数据库。Aurora 可以被定性为一款云上的高性能单机关系数据库。
总结
本博客沿着 6.824 课程的思路，对 Aurora 的由来，设计思路，具体架构进行了简单的介绍。