全球分布式数据库:Google Spanner(论文翻译)(10)

Megastore[5]和 DynamoDB[3]已经提供了跨越多个数据中心的一致性复制。DynamoDB 提供了键值存储接口,只能在一个 region 内部进行复制。Spanner 和 Megastore 一样,都提供了半关系数据模型,甚至采用了类似的模式语言。Megastore 无法活动高性能。Megastore 是架构在 Bigtable 之上,这带来了很高的通讯代价。Megastore 也不支持长寿命的领导者, 多个副本可能会发起写操作。来自不同副本的写操作,在 Paxos 协议下一定会发生冲突,即使他们不会发生逻辑冲突:会严重影响吞吐量,在一个 Paxos 组内每秒钟只能执行几个写操作。Spanner 提供了更高的性能,通用的事务和外部一致性。

Pavlo 等人[31]对数据库和 MapReduce[12]的性能进行了比较。他们指出了几个努力的方向,可以在分布式键值存储之上充分利用数据库的功能[1][4][7][41],二者可以实现充分的融合。我们比较赞同这个结论,并且认为集成多个层是具有优势的:把复制和并发控制集成起来,可以减少 Spanner 中的提交等待代价。

在一个采用了复制的存储上面实现事务,可以至少追述到 Gifford 的论文[16]。Scatter[17] 是一个最近的基于 DHT 的键值存储,可以在一致性复制上面实现事务。Spanner 则要比 Scatter 在更高的层次上提供接口。Gray 和 Lamport[18]描述了一个基于 Paxos 的非阻塞的提交协议,他们的协议会比两阶段提交协议带来更多的代价,而两阶段提交协议在大范围分布 式的组中的代价会进一步恶化。Walter[36]提供了一个快照隔离的变种,但是无法跨越数据中心。相反,我们的只读事务提供了一个更加自然的语义,因为我们对于所有的操作都支持外部语义。

最近,在减少或者消除锁开销方面已经有大量的研究工作。Calvin[40]消除了并发控制: 它会重新分配时间戳,然后以时间戳的顺序执行事务。HStore[39]和 Granola[11]都支持自己的事务类型划分方法,有些事务类型可以避免锁机制。但是,这些系统都无法提供外部一致性。Spanner 通过提供快照隔离,解决了冲突问题。

VoltDB[42]是一个分片的内存数据库,可以支持在大范围区域内进行主从复制,支持灾难恢复,但是没有提供通用的复制配置方法。它是一个被称为 NewSQL 的实例,这是实现 可扩展的 SQL[38]的强大的市场推动力。许多商业化的数据库都可以支持历史数据读取,比如 Marklogic[26]和 Oracle’ Total Recall[30]。Lomet 和 Li[24]对于这种时间数据库描述了一种 实现策略。

Faresite 给出了与一个受信任的时钟参考值相关的时钟不确定性的边界13:Farsite 中的服务器租约的方式,和 Spanner 中维护 Paxos 租约的方式 相同。在之前的工作中[2][23],宽松同步时钟已经被用来进行并发控制。我们已经展示了 TrueTime 可以从 Paxos 状态机集合中推导出全球时间。

7. 未来的工作

在过去一年的大部分时间里,我们都是 F1 团队一起工作,把谷歌的广告后台从 MySQL 迁移到 Spanner。我们正在积极改进它的监控和支撑工具,同时在优化性能。此外,我们已经开展了大量工作来改进备份恢复系统的功能和性能。我们当前正在实现 Spanner 模式语言,自动维护二级索引和自动基于负载的分区。在未来,我们会调研更多的特性。以最优化的方式并行执行读操作,是我们追求的有价值的策略,但是,初级阶段的实验表明,实现这个目标比较艰难。此外,我们计划最终可以支持直接变更 Paxos 配置[22]34]。

我们希望许多应用都可以跨越数据中心进行复制,并且这些数据中心彼此靠近。 TrueTime ε 可能会明显影响性能。把 ε 值降低到 1ms 以内,并不存在不可克服的障碍。 Time-master-query 间隔可以继续减少,Time-master-query 延迟应该随着网络的改进而减少, 或者通过采用分时技术来避免延迟。

最后,还有许多有待改进的方面。尽管 Spanner 在节点数量上是可扩展的,但是与节点相关的数据结构在复杂的 SQL 查询上的性能相对较差,因为,它们是被设计成服务于简单的键值访问的。来自数据库文献的算法和数据结构,可以极大改进单个节点的性能。另外,根据客户端负载的变化,在数据中心之间自动转移数据,已经成为我们的一个目标,但是,为了有效实现这个目标,我们必须具备在数据中心之间自动、协调地转移客户端应用进程的能力。转移进程会带来更加困难的问题——如何在数据中心之间管理和分配资源。

8. 总结

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