Vitess，作為海外最為知名的分庫分表產品，一直以來在國內聲音不多。近期抽空了解下這個產品，特分享出來。本文部分內容取自Vitess官網https://vitess.io。

1. Vitess概述

人生基本上就是兩件事，選題和解題。最好的人生是在每個關鍵點上，既選對題，又解好題。人生最大的痛苦在于解對了題，但選錯了題，而且還不知道自己選錯了題。正如人生最大的遺憾就是，不是你不行，而是你本可以。

Vitess是一個用于部署、擴展和管理大型開源數據庫實例集群的數據庫解決方案。它目前支持MySQL、Percona和MariaDB。它的架構設計使其在公共或私有云架構中運行時與在專用硬件上運行時一樣有效。它結合并擴展了許多重要的SQL功能和NoSQL數據庫的可擴展性。

1).使用場景

• 數據分片

通過允許分片來縮放SQL數據庫，同時將應用程序更改保持在最低限度。

• 數據遷移

從裸金屬遷移到私有云或公共云。

• 管理實例

部署和管理大量SQL數據庫實例。

2).技術特點

 性能優化

• 連接池

數據庫連接池能力，滿足支持大量前端應用連接。

• 查詢結果重用

正在運行的查詢，對于后續完全相同的請求將重用同一查詢的結果。

• 事務管理器

限制并發事務的數量并管理超時，以優化整體吞吐量。

• 行緩存

對于需根據主鍵隨機訪問的字段查詢，維護一個基于行的緩存(使用 memcached)，可優化 OLTP 工作負載非常有用。

運行防護

• 查詢重寫和凈化

添加限制并防止不確定性的更新。

• 查詢黑名單

自定義規則，防止潛在有問題的查詢提交到數據庫。

• 殺掉查詢

終止運行需要很長時間才能返回數據的查詢。

• 表級別 ACLs

根據連接用戶為表定義訪問控制列表(ACLs)。

監控診斷

• 性能分析

提供對數據庫性能進行監控、診斷和分析的工具。

系統運維

• 集群/拓撲管理工具

提供基于 Web 的的集群管理工具，可顯示整體拓撲。上述能力支持面向多個數據中心/區域的場合。

海量存儲

• 分片能力

支持垂直、水平分片能力，支持自定義分片策略，支持在線重分片能力。

3). 核心優勢

• 分片管理

MySQL本身并不提供拆分分片功能，但是您的業務數據量增大到一定程度是您是需要增加集群的。Vitess提供在線拆分功能，只需要很少的時間就完成新集群的切換，無需您在應用程序中添加任何拆分邏輯。

• 連接池

Vitess避免了MySQL連接的高內存開銷。Vitess服務器輕松地一次處理數千個連接。

• 工作流

Vitess會跟蹤有關集群配置的所有元數據，以便集群拓撲始終是最新的，對不同的客戶端保持一致。

• 性能

Vitess自動重寫對數據庫性能有損害的查詢。它還使用緩存機制來調節查詢，并防止重復查詢同時到達您的數據庫

• 擴展性

Vitess集Mysql數據庫的很多重要特性和NoSQL數據庫的可擴展性于一體。其內建拆分分片功能使您能夠對您的MySQL數據庫集群無限水平擴展，同時無需為應用添加分片邏輯

• 管理

Vitess可以支持自動處理主故障轉移和備份等功能。它使用分布式元數據服務來跟蹤和管理服務器，使您的應用程序無需關心數據庫拓撲變化。

4).方案對比

• 與MySQL對比

• 與NoSQL對比

2. Vitess基本架構

人生基本上就是兩件事，選題和解題。最好的人生是在每個關鍵點上，既選對題，又解好題。人生最大的痛苦在于解對了題，但選錯了題，而且還不知道自己選錯了題。正如人生最大的遺憾就是，不是你不行，而是你本可以。

Vitess 平臺由若干服務器進程、命令行工具和基于 web 的工具組成，具備一致性元數據存儲支持。根據用戶應用程序的現狀，可以選擇不同的方式接入Vitess。如果正在從頭構建一個服務，應該起始于定義數據庫拓撲;如果需要對現有數據庫進行擴展，那首先需要部署一個連接代理。無論數據庫集群規模大小，Vitess 工具和服務器都旨在提供幫助。對于較小的實現，VTTablet 的一些特性諸如連接池和行緩存可以幫助更充分利用現有硬件。Vitess 的自動化工具則為大型實現提供額外的好處。

 Cell

Cell 是放置一組服務器和網絡基礎設施的區域，并且與其他Cell做到故障隔離。它通常是一個完整的數據中心或數據中心子集，有時稱為Zone或Availability Zone。Vitess 可以優雅地處理Cell 級故障，例如當一個Cell 斷開網絡時。Vitess 在每個Cell中托管本地拓撲服務。這一服務在Cell中包含Tablet的大部分信息，這使得Cell能夠被拆除并重建。Vitess 限制數據和元數據的跨Cell的流量。雖然其具有將讀取流量路由到單個Cell的能力，但 Vitess 目前僅提供來自本地Cell的讀取。如有必要，Vitess可跨Cell寫入。

Execution Plans

Vitess 在 VTGate 和 VTablet 層解析查詢，評估執行查詢的最佳方法，進而生成查詢執行計劃。Vitess 優化策略之一是將盡可能多的工作下推到底層 MySQL 實例。當這不可能時，Vitess 將使用從多個MySQL收集輸入并合并結果以生成正確查詢結果。

• 評估模式

一個執行計劃由操作符組成，每個操作符執行一個特定的工作。整個執行計劃是由一組樹形結構的操作符組成，每個操作符為樹中的一個節點。每個操作符將零或多行作為輸入，并產生零或多行作為輸出。這意味著一個操作的輸出成為下一個操作的輸入。連接樹中兩個分支的操作符組合來自兩個傳入流的輸入并產生單個輸出。執行計劃的評估從樹的葉子節點開始。葉子節點從 VTablet 中提取數據，并且在某些情況下還能夠在本地評估表達式值。每個葉子節點不會有來自其他操作符的輸入，并且將它們產生的任何節點通過管道傳輸到其父節點。然后，父節點將通過管道將節點傳送到它們的父節點，一直到根節點。根節點產生查詢的最終結果并將結果傳遞給用戶。

• 查看計劃

可通過瀏覽/queryz端點，在 VTGate 級別觀察緩存的執行計劃。從Vitess 6開始，也可通過下面命令來查看：EXPLAIN FORMAT=vitess .

 Keyspace

Keyspace 是一個邏輯數據庫。如果使用分片技術，則keyspace映射到多個 MySQL 數據庫;如果沒使用分片，則keyspace直接映射到 MySQL 數據庫名稱。無論那種情況，從應用側來看，keyspace都顯示為單個數據庫。從 keyspace 讀取數據就像從 MySQL 數據庫讀取數據一樣。但是根據讀取操作的一致性要求，Vitess 可能會選擇從主數據庫或備數據庫中讀取。

• Keyspace id

Keyspace ID，就是通常講的分片鍵?；诜秶姆制?，是指創建時指定覆蓋特定范圍的keyspace ID。使用此方式，可通過用兩個或更多新分片，替換原有分片來拆分。而新分片組合在一起以覆蓋keyspace ID 的范圍，而無需移動其他分片中的任何記錄。Keyspace ID本身，是通過對數據中某些列的函數計算所得。Vitess 允許從各種函數 ( vindexes ) 中進行選擇來執行此映射。這使你可以選擇正確的方法來實現數據在分片之間的最佳分布。

MoveTables

MoveTables 是一種基于 VReplication 的新工作流。它使您能夠在 Keyspace 之間重新定位表，從而在不停機的情況下重新定位物理 MySQL 實例。

• 識別候選表

建議將需要相互關聯的表保留在同一 Keyspace 中，因此 MoveTables 操作的典型候選對象是一組邏輯上組合在一起或以其他方式隔離的表。如果有多組表作為候選，移動最有意義可能取決于環境的具體情況。例如，一個更大的表將需要更多的時間來移動，但這樣做你可能能夠利用額外的或更新的硬件，這些硬件在需要執行額外的操作(如分片)之前有更多的空間。同樣，以更頻繁的速率更新的表可能會增加移動時間。

• 對生產流量影響

在內部，MoveTables 操作由表副本和對表所做的所有更改的訂閱組成。Vitess 使用批處理來提高表復制和應用訂閱更改的性能，但應該期望修改率較低的表移動得更快。在主動移動過程中，數據是從副本而不是主服務器復制的。這有助于確保最小的生產流量影響。在MoveTables 中SwitchWrites 操作階段，Vitess 可能會暫時不可用。這種不可用性通常是幾秒鐘，但如果系統從主副本到副本的復制延遲很高，則會更高。

Query Rewrite

Vitess 努力營造一種用戶與單個數據庫連接的錯覺。實際上，單個查詢可能與多個數據庫交互，并且可能使用多個連接到同一數據庫。

• 查詢分解

具有跨分片連接的復雜查詢，可能需要先從保持 VIndex 查找表的 Tablet 中獲取信息，然后使用此信息查詢兩個不同的分片以獲取更多數據，并將傳入的結果連接到用戶接收的單個結果中。MySQL 獲取的查詢通常只是原始查詢的一部分，最終結果將在 VTGate 級別組裝。

• 連接池

當 Tablet 與 MySQL 對話以代表用戶執行查詢時，它不會為每個用戶使用專用連接，而是會在用戶之間共享底層連接。這意味著在會話中存儲任何狀態都是不安全的，因為無法確定它是否會繼續在同一連接上執行查詢，并且無法確定此連接稍后是否會被其他用戶使用。

Replication Map

Vitess 通過復制圖來識別主數據庫和它們各自的副本之間的關系。在故障轉移期間，復制圖使 Vitess 能夠將所有現有副本指向新指定的主數據庫，以便繼續復制。

 Shard

分片是一個 Keyspace 的子集。一個 Keyspace 將包含一個或多個分片。一個分片通常包含一個 MySQL 主副本和許多 MySQL 副本。分片中的每個 MySQL 實例都具有相同的數據。副本可以提供只讀流量(具有最終的一致性保證)、執行長時間運行的數據分析查詢或執行管理任務(備份、恢復、差異等)。

• Reshard

Vitess 支持重新分片，其中在實時集群上更改分片的數量。這可以是將一個或多個分片拆分為更小的部分，或者將相鄰的分片合并為更大的部分。在重新分片期間，源分片中的數據被復制到目標分片中，然后與原始分片進行比較以確保數據完整性，最后將實時服務基礎設施轉移到目標分片，并刪除源分片。

• Tablet

Tablet 是mysqld過程和相應的vttablet過程的組合，通常運行在同一機器上。每個 Tablet 都具備對應的角色。查詢通過 VTGate 服務器路由到Tablet。Tablet 劃分角色如下：

• primary

Tablet對應的MySQL角色是主庫。

• replica

Tablet對應的MySQL角色是從庫，且該從庫有資格提升為主。這一角色一般服務面向實時只讀查詢的訪問。

• rdonly

Tablet對應的MySQL角色是從庫，且該從庫無法提升為主。這一角色通常用于后臺處理作業，例如備份、將數據轉儲到其他系統、大量分析查詢、MapReduce 和重新分片。

• backup

Tablet對應的MySQL角色是從庫，且因一致性快照而停止復制，可將其分片上傳備份。完成后，它將恢復復制并返回到以前的類型。

• restore

啟動時 Tablet 對應MySQL沒有數據，正在從最新備份中恢復。完成后，它將進入復制狀態，并且角色變為replica或rdonly。

• drained

為Vitess 后臺進程保留的Tablet，例如用于重分片等需求。

Topology Service

該拓撲服務是一組在不同服務器上運行的后端進程組成。這些服務器存儲全局拓撲數據，并提供分布式鎖定服務。Vitess 使用插件系統來支持存儲拓撲數據的各種實現，默認的拓撲服務存儲插件是etcd2。拓撲服務的存在有幾個原因：

協調集群內 Tablets，發現Tablet，并感知將查詢路由到哪里。

存儲集群中不同服務器上的 Vitess 配置，并且必須在服務器重新啟動之間保持不變。

一個 Vitess 集群有一個全局拓撲服務，每個單元有一個本地拓撲服務。

• Global Topology

全局拓撲服務存儲不經常更改的 Vitess 數據。具體來說，它包含有 Keyspace 和 Shard 的數據以及每個 Shard 的主要 Tablet。全局拓撲用于一些操作，包括重新選主、重新分片。為了在任何單個單元發生故障時幸免于難，全局拓撲服務應該在多個單元中具有節點，以便在單元發生故障時維持仲裁。

• Local Topology

每個本地拓撲都包含與其自身 Cell 相關的信息。具體來說，它包含有關 Cell 中 Tablet 的數據、該 Cell 的 Keyspace 以及該Cell的復制圖。本地拓撲服務必須可供 Vitess 使用以發現Tablet 并在 Tablet 變化時調整路由。但是，在穩定狀態下提供查詢服務的關鍵路徑中不會調用拓撲服務。這意味著在拓撲暫時不可用期間仍會提供查詢服務。

 VSchema

一個 VSchema 用來描述數據是如何Keyspace和Shard內組織。此信息用于路由查詢，也用于重新分片操作。對于 Keyspace，可以指定它是否被分片。對于分片的 Keyspace，可以為每個表指定 vindexes 列表。

• 序列

Vitess 支持序列生成器，可用于生成新的 id，其工作方式類似于 MySQL 自動增量列。VSchema 允許將表列關聯到序列表。如果沒有為這樣的列指定值，那么 VTGate 將知道使用序列表為它生成一個新值。

 VStream

VStream 是一種可通過 VTGate 訪問的更改通知服務。VStream 的目的是從 Vitess 集群的底層 MySQL 分片提供與 MySQL 二進制日志等效的信息。gRPC 客戶端，包括 Vitess 組件，如 VTablets，可以訂閱 VStream 以接收來自其他分片的更改事件。VStream從VTTablet實例上的一個或多個VStreamer實例拉取事件，后者又從底層MySQL實例的二進制日志拉取事件。這允許有效執行諸如 VReplication 之類的功能，其中訂閱者可以從一個或多個 MySQL 實例分片的二進制日志中間接接收事件，然后將其應用于目標實例。用戶可以利用 VStream 獲取有關給定 Vitess Keyspace、Shard和位置的數據更改事件的深入信息。工作原理可參考如下：

vtctl

vtctl是一個命令行工具，用于管理 Vitess 集群。它既可用作獨立工具 ( vtctl)，也可用作客戶端-服務器(vtctlclient與 結合使用vtctld)。建議使用客戶端-服務器，因為它在遠程使用客戶端時提供了額外的安全層。使用 vtctl，可以識別主數據庫和副本數據庫、創建表、啟動故障轉移、執行重新分片操作等。隨著 vtctl 執行操作，拓撲服務會根據需要進行更新。其他 Vitess 服務器會觀察這些變化并做出相應的反應。例如，如果您使用 vtctl 故障轉移到新的主數據庫，vtgate 會看到更改并將未來的寫入操作定向到新的主數據庫。

 vtctld

vtctld是一個 HTTP 服務器，可瀏覽存儲在拓撲服務中的信息。它對于故障排除或獲取服務器及其當前狀態的高級概述很有用。vtctld還充當vtctlclient連接的服務器。

VTGate

VTGate 是一個輕量級的代理服務器，它可以將流量路由到正確的 VTTablet 服務器并將合并的結果返回給客戶端。它同時使用 MySQL 協議和 Vitess gRPC 協議。因此，應用程序可以像連接 MySQL 服務器一樣連接到 VTGate。在將查詢路由到適當的 VTablet 服務器時，VTGate 會考慮分片方案、所需的延遲以及表及其底層 MySQL 實例的可用性。

3. Vitess產品理念

人生基本上就是兩件事，選題和解題。最好的人生是在每個關鍵點上，既選對題，又解好題。人生最大的痛苦在于解對了題，但選錯了題，而且還不知道自己選錯了題。正如人生最大的遺憾就是，不是你不行，而是你本可以。

1). 可擴展理念

Vitess的產品理念，是將數據庫分片，將其分解成很小的部分，很容易將它們分解到足以容納一臺機器的程度。在行業中，每個主機只運行一個MySQL實例是很常見的。Vitess建議將實例分解成可管理的塊(每個MySQL服務器250GB)，并且不要回避每個主機運行多個實例。凈資源使用量將大致相同。但是當MySQL實例很小時，可管理性會大大提高。跟蹤端口和分離MySQL實例的路徑會很復雜。然而，一旦越過這個障礙，其他一切都變得簡單了。拆分為更小粒度后，需要擔心的鎖爭用更少，復制更快，停機對生產的影響變得更小，備份和恢復運行更快，并改善資源使用。

2). 復制代替持久性

傳統意義上，數據被刷新到磁盤時就將其視為持久的。Vitess 更為推薦的耐久性方法是通過將數據復制到多臺機器甚至多個地理位置來實現的。這種形式的耐久性解決了對設備故障和災難的擔憂。Vitess中的許多工作流都是根據這種方法構建的。例如，強烈建議打開半同步復制。這允許Vitess在主數據庫崩潰時故障轉移到新副本，而不會丟失數據。依賴復制還允許放松一些基于磁盤的耐久性設置。例如，可以關閉sync_binlog，這大大減少了磁盤的IOPS數量，從而提高了有效吞吐量。

3). 有取舍一致性

非一致性讀

在 Vitess 中跨分片讀取可能彼此不一致。在制定分片決策中，應該試圖盡量減少這種情況，因為跨分片讀取更昂貴。如果存在可以容忍稍顯陳舊的數據，則可將查詢發送到replica角色的 Tablet 處理;對于OLAP工作負載，則可發送到rdonly角色的 Tablet 處理。這一方式可提供更為靈活的縮放讀取流量，并可按地理位置分布它們。這種權衡允許以陳舊或可能不一致的讀取為代價獲得更好的吞吐量，因為隨著數據的變化(可能在不同的分片上有不同的滯后)，讀取可能會落后于主分片。為了緩解這種情況，VTGate服務器能夠監控副本滯后，并且可以配置為避免來自滯后超過X秒的實例的數據。

• REPLICA/RDONLY read

服務器可以按地理位置縮放。本地讀取速度很快，但可能會因副本延遲而失效。

• PRIMARY read

每個分片只有一個全局主要讀取。來自遠程位置的讀取將受制于網絡延遲和可靠性，但數據將是最新的(寫入后讀取一致性)。隔離級別READ_COMMITTED。

• PRIMARY transaction

它們顯示與主讀取相同的屬性。但是，可以為單個分片獲得REPEATABLE_READ一致性和ACID寫入?？绶制邮聞盏闹С终谶M行中。

快照級讀

對于真正的快照，查詢必須在事務中發送到主服務器。為了寫入后讀取的一致性，從主服務器讀取而不使用事務就足夠了。

 分布式事務

在“盡最大努力模式”中，跨分片事務可能會在中間失敗，并導致部分提交。可以改為使用“2PC模式”事務，為提供分布式原子保證。然而，選擇此選項會增加大約50%的寫入成本。單個分片事務繼續保持ACID，就像MySQL支持它一樣。事務支持原子性，支持以下級別：

• SINGLE：禁止多db事務。
• MULTI：盡最大努力提交的多數據庫事務。
• TWOPC：具有2PC提交的多數據庫事務

4). 高可用性

 

Vitess與Orchestrator集成，Orchestrator能夠在故障檢測后幾秒鐘內執行到新主服務器的故障轉移。這對于大多數應用程序來說通常已經足夠了。