揭秘阿里服務互聯(lián)網(wǎng)金融的關系數(shù)據(jù)庫OceanBase

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅保存了現(xiàn)代企業(yè)的關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，而且對這些數(shù)據(jù)提供訪問從而支撐著企業(yè)業(yè)務。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠對現(xiàn)代企業(yè)至關重要。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)庫軟件、運行數(shù)據(jù)庫軟件的數(shù)據(jù)庫服務器硬件以及保存數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲硬件(即共享存儲)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅保存了現(xiàn)代企業(yè)的關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，而且對這些數(shù)據(jù)提供訪問從而支撐著企業(yè)業(yè)務。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠對現(xiàn)代企業(yè)至關重要。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)庫軟件、運行數(shù)據(jù)庫軟件的數(shù)據(jù)庫服務器硬件以及保存數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲硬件(即共享存儲)組成，如下圖所示：

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，也取決于這三個部分。

首先是數(shù)據(jù)庫軟件，數(shù)據(jù)庫軟件廠商平均2~3年發(fā)布一個大版本，新版本發(fā)布前會進行反復測試。即使如此，數(shù)據(jù)庫軟件的維護升級依然有很大的風險，2013年6月中國工商銀行系統(tǒng)不可用即是其數(shù)據(jù)庫DB2的維護升級導致，2014年8月美國國務院簽證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)超過1周的不可用也是其數(shù)據(jù)庫Oracle的維護升級導致。

其次是數(shù)據(jù)庫服務器。為了保障數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)廠商推薦用戶使用穩(wěn)定性較高的高端服務器，這些服務器價格非常昂貴，難以擴展，并且擴展能力也十分有限。

第三是數(shù)據(jù)庫存儲(共享存儲)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是企業(yè)最寶貴的財富，為了避免數(shù)據(jù)丟失，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫廠商推薦用戶使用穩(wěn)定性較高的共享存儲，同樣地，這類存儲設備價格非常昂貴，難以擴展，并且擴展能力也有限。

為了避免水災、火災或者其他自然災害導致的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不可用甚至數(shù)據(jù)丟失，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常還要搭建備庫，出于安全考慮，主庫與備庫需要保持一定的距離，例如50km或以上，俗稱主備鏡像，如下圖所示：

然而，盡管稱為主備鏡像，數(shù)據(jù)庫的備庫并不能保證與主庫一致：假如強制要求兩者一致，那么主庫的每一筆事務都必須到達備庫后才能提交和應答客戶，這樣一旦主庫備庫之間的網(wǎng)絡異常或者備庫異常，整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將不可用，從而導致業(yè)務的中斷，與主庫備庫部分數(shù)據(jù)不一致相比，業(yè)務的中斷對于企業(yè)來講更加不能接受，因而主庫故障后業(yè)務切換到備庫時，通常會有少量數(shù)據(jù)不一致。因此，即使部署了主備鏡像，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也不得不使用可靠性盡可能高的服務器和存儲，以降低主庫故障的幾率，減少對業(yè)務的影響。之所以要使用可靠的服務器和可靠的存儲，本質上是因為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫假設硬件(服務器、存儲、網(wǎng)絡等)是“可靠的”。

對于數(shù)據(jù)庫，與傳統(tǒng)企業(yè)相比，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)最大的不同之一是并發(fā)訪問量非常大。傳統(tǒng)商業(yè)企業(yè)、銀行，用戶需要通過收銀臺、銀行終端、ATM柜員機、POS機等專用設備開展業(yè)務并訪問數(shù)據(jù)庫，幾百和幾千的數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問比較常見，幾萬以上的并發(fā)訪問相當少見。在互聯(lián)網(wǎng)上，每一個草根網(wǎng)民都可以發(fā)起購物交易并訪問數(shù)據(jù)庫，幾十萬的數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問時?？梢姡瑤装偃f甚至千萬的并發(fā)訪問都可以見到（例如雙11下的淘寶、天貓和支付寶）。如此之大的并發(fā)訪問下，商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件及其高可靠的數(shù)據(jù)庫服務器和共享存儲的成本成為了不可承擔之重。

由于上述原因，OceanBase的一個基本假設就是硬件(服務器、存儲、網(wǎng)絡等)是不可靠的，另一個基本假設是單機(數(shù)據(jù)庫服務器及共享存儲)無法滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的需求。因此，OceanBase必須是一個多機(分布式)系統(tǒng)，并且必須保證任何時刻出現(xiàn)的少量硬件(服務器、存儲、網(wǎng)絡等)異常不影響業(yè)務。

為此，OceanBase引入了Paxos協(xié)議，每一筆事務，主庫執(zhí)行完成后，要同步到半數(shù)以上庫(包括主庫自身)，例如3個庫中的2個庫，或者5個庫中的3個庫，事務才成功。這樣，少數(shù)庫(例如3個庫中的1個庫，或者5個庫中的2個庫)異常后業(yè)務并不受影響：

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比，OceanBase的另外一個關鍵特征是軟件版本的灰度升級。主備方式的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是“單活”的，只有主庫可執(zhí)行寫事務，盡管維護升級時可以先操作備庫，操作完成后備庫變成主庫并且接受用戶訪問是一步到位的，如果新版本有問題，則業(yè)務受到影響：

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫：升級前

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫：升級中

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫：升級后只能一次性地引入全部讀寫流量

OceanBase則是“多活”設計，即多個庫（3個，5個等）每個都可以有部分讀寫流量，升級時先把要升級的庫的讀寫流量切走，升級后先進行數(shù)據(jù)對比，正常后逐步引入讀寫流量(白名單，1%，5%，10%......)，一切正常并運行一段時間后再升級其他的庫：

OceanBase之3機群(3庫)部署：升級前

OceanBase之3機群(3庫)部署：切走讀寫流量，準備升級

OceanBase之3機群(3庫)部署：升級一個機群(庫)

OceanBase之3機群(3庫)部署：升級一個機群(庫)后切回部分讀寫流量

OceanBase之3機群(3庫)部署：升級一個機群(庫)后切回全部讀寫流量

基于硬件不可靠的假設并且能夠容忍少量服務器的故障，OceanBase使用了相對廉價的PC服務器代替高可靠服務器并且不再使用昂貴的共享存儲，從而不僅提供了比使用高可靠服務器和共享存儲低得多的成本，容忍少數(shù)服務器乃至少數(shù)機群故障意味著比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更高的可靠性。通過灰度升級，OceanBase避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的“一錘子買賣”的升級，極大地降低了數(shù)據(jù)庫維護升級的風險。

本文作者：陽振坤，螞蟻金服高級研究員。

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