隨著資料量不斷增長，資料函式庫擴充套件性成為應用程式開發的關鍵挑戰。本文將探討如何利用橫向擴充套件和縱向擴充套件技術提升資料函式庫效能。橫向擴充套件透過增加節點分散負載，Vitess 和 Citus 分別提供 MySQL 和 PostgreSQL 的分片解決方案，實作水平擴充套件。縱向擴充套件則強化單一伺服器硬體，MySQL 的複製和讀寫分離搭配 ProxySQL 可有效提升效能，InnoDB Cluster 和 ClusterSet 則提供高用性和容錯能力。PostgreSQL 的串流複製和邏輯複製也支援讀寫分離，提升資料函式庫效率。最後，Kubernetes 和其運算元簡化了資料函式庫佈署和管理，CloudNativePG 和 Crunchy Data PostgreSQL Operator 等工具自動化許多操作流程，成為現代資料函式倉管理的趨勢。
資料函式庫擴充套件性的理解
隨著科技的快速發展，高效管理與擴充套件資料函式庫的能力變得至關重要。本章旨在為開發者提供建立可擴充套件且可靠的資料函式庫應用程式的必要知識。透過使用本章涵蓋的主要擴充套件技術，開發者可以改善其資料函式庫應用程式的效能、可靠性和可擴充套件性。
介紹資料函式庫擴充套件
在快速變化的技術環境中，資料函式庫擴充套件是維持資料密集型應用程式效能、可靠性和可用性的關鍵。資料函式庫擴充套件涉及擴大或調整資料函式庫的容量，以處理日益增長的負載。隨著來自社群媒體、物聯網裝置和企業應用程式的資料呈指數級增長，擴充套件資料函式庫已成為一種必要，而非選擇。
資料函式庫擴充套件的挑戰
在瞭解分片（sharding）的優點和複雜性之前，我們先來探討資料函式庫擴充套件所面臨的更廣泛挑戰：
- 處理海量資料：高效管理大量資料同時確保最小延遲的挑戰
- 平衡成本和效能：在擴充套件成本（硬體、基礎設施）和其帶來的效能效益之間取得平衡
- 資料一致性和完整性：確保在擴充套件環境中，所有節點上的資料保持一致和準確
資料函式庫擴充套件的主要方法
讓我們區分橫向擴充套件和縱向擴充套件：
- 橫向擴充套件（向外擴充套件）：這涉及向現有的資料函式庫系統新增更多機器或節點。這就像透過在辦公室新增更多桌子來擴大容量。
- 縱向擴充套件（向上擴充套件）：這種方法需要升級現有資料函式庫伺服器的硬體。這就像用更大、更高效的伺服器替換舊伺服器。
橫向擴充套件與縱向擴充套件的比較
以下是對資料函式庫擴充套件的兩種選項的快速比較。請記住，縱向擴充套件自然而然地成為一種更容易、更快的解決方案，直到對如何遷移到替代方案進行進一步的研究和開發。
橫向擴充套件的優缺點
讓我們關注橫向擴充套件及其在資料函式庫可擴充套件性方面的作用。
以下是其優點：
- 可擴充套件性：透過新增更多機器輕鬆擴充套件以管理增加的負載
- 靈活性：可以動態擴充套件，適合根據雲端的服務
- 可靠性：由於分散式架構，整個系統故障的風險較低
以下是其缺點：
- 複雜性：管理和維護的複雜性增加
- 一致性問題：在節點間維護資料一致性的挑戰
- 更高的營運成本：可能增加網路和管理成本
在MySQL和PostgreSQL世界中，橫向擴充套件需要一個複雜的框架，包括在這些關係型資料函式庫系統上的各種元件。Vitess是一個重要且日益流行的選項，用於實作MySQL資料函式庫的橫向擴充套件。另一方面，Citus是PostgreSQL的一個擴充，它將PostgreSQL轉變為分散式資料函式庫。它被開發來解決傳統PostgreSQL安裝的可擴充套件性限制。
Vitess – MySQL的橫向擴充套件解決方案
Vitess最初由YouTube開發，以處理其龐大的資料函式庫擴充套件挑戰，現在是一個開源專案。它是雲原生運算基金會（CNCF）的一部分。Vitess透過提供分片MySQL資料函式庫的框架，使擴充套件大型MySQL資料函式庫變得更容易，有效地將資料函式庫負載分散到多個例項或節點上。
Vitess如何實作橫向擴充套件
Vitess使用分片、查詢最佳化和連線池技術來擴充套件MySQL的橫向擴充套件能力。Vitess自動執行分片過程，允許將資料函式庫拆分為更小、更易於管理的部分或分片。這有助於將負載分散到多個伺服器上。它包括一個查詢規劃器，可以最佳化分片環境中的查詢，有助於在資料函式庫擴充套件時保持效能。Vitess管理資料函式庫連線和流量，確保資源使用效率並減少每個資料函式庫例項的負載。
-- Vitess 分片示例
CREATE TABLE users (
id BIGINT PRIMARY KEY,
name VARCHAR(255)
);
-- Vitess 自動分片組態
vttablet --shard_count 4 --shard_id 0
內容解密：
- Vitess 分片技術：Vitess 透過分片技術將大型的 MySQL 資料函式庫分散到多個節點上，每個節點處理部分資料，從而提升整體處理能力和負載平衡。
- 查詢最佳化：Vitess 的查詢規劃器會針對分片環境最佳化查詢陳述式，確保在分散式架構下仍能保持高效查詢效能。
- 連線池管理：Vitess 能夠有效管理資料函式庫連線和流量，減少資源浪費並提升系統穩定性。
Citus – PostgreSQL的橫向擴充套件解決方案
Citus透過增加智慧分配功能來擴充PostgreSQL。它允許透過將資料和查詢分散到多個節點來進行橫向擴充套件，使PostgreSQL能夠處理更大的資料量和更多的並發使用者。
Citus如何實作橫向擴充套件
Citus使用分片、平行性和分析技術來使PostgreSQL的能力橫向擴充套件。Citus將資料分散到多個節點上。這種分片對應用程式是透明的，允許它們與資料函式庫互動，就像它是標準的PostgreSQL例項一樣。當執行查詢時，Citus可以在不同的分片上平行化查詢，大大加快查詢回應時間。其架構特別適合即時分析工作負載，因為它允許對大型資料集進行高效查詢。
-- Citus 分片示例
CREATE TABLE events (
id BIGINT PRIMARY KEY,
event_time TIMESTAMP,
data JSONB
);
-- Citus 分散表到多個節點
SELECT create_distributed_table('events', 'id');
內容解密：
- Citus 分散式架構：Citus 將 PostgreSQL 資料函式庫轉變為分散式系統，能夠將資料和查詢負載分散到多個節點，從而提升系統的可擴充套件性和處理能力。
- 透明分片技術：Citus 的分片機制對應用程式透明，開發者無需修改現有程式碼即可享充分散式系統帶來的好處。
- 平行查詢處理：Citus 能夠將複雜查詢平行化處理，大幅縮短查詢時間，提升系統整體效能。
資料函式庫擴充套件性的理解
在Citus的架構核心中，協調節點（coordinator node）扮演著應用程式與Citus叢集之間的介面角色。當資料函式庫接收到查詢請求時，協調節點會解析、最佳化並分配查詢任務至相關的工作節點。每個工作節點都包含部分資料，使得Citus能夠跨節點平行執行多個查詢，從而顯著提升查詢效能。
Citus的Shard概念
Citus提供了一個強大的解決方案，用於水平擴充套件PostgreSQL，將PostgreSQL豐富的功能與通常與NoSQL資料函式庫相關的擴充套件性結合起來。它的資料分片（sharding）、查詢平行化能力，以及在高負載下保持高效能的能力，使其成為需要即時分析和高吞吐量應用程式的理想選擇。
Citus架構圖
隨著更多企業面臨管理大規模資料集和高並發性的需求，Citus成為實作可擴充套件和高效資料函式庫架構的關鍵技術。下圖展示了Citus的一個常見使用案例：服務混合事務和分析工作負載的資料密集型應用程式。
圖6.4 – 簡化的Citus架構：Citus資料
垂直擴充套件 – 在現有基礎設施內增強容量
垂直擴充套件，或稱為擴大規模（scaling up），專注於增強現有伺服器的硬體，就像在相同的地基上建造更高層的建築一樣。本文將探討在哪些場景下垂直擴充套件是最佳選擇，以及其固有的硬體限制。
MySQL中的複製技術
在垂直擴充套件的背景下，特別是對於MySQL資料函式庫，複製（replication）和讀寫分離（read/write splitting）是增強效能和管理增加的工作負載的必要策略。讓我們探討這些概念。
MySQL複製
MySQL中的複製涉及建立一個或多個資料函式庫的副本（複製品）。這是一個將資料從主要資料函式庫伺服器（主伺服器）持續複製到一個或多個次要資料函式庫伺服器的過程。
複製的主要目的是提高資料函式庫的可用性和可靠性，也可以用於負載平衡、備份和災難還原（DR）。
複製型別：
- 非同步複製：MySQL中最常見的型別，複製品伺服器輪詢主伺服器以請求任何更新。
- 半同步複製：主伺服器等待至少一個複製品確認收到交易後才提交交易。
- 同步複製：每個交易都在主伺服器和複製品伺服器上同時複製和提交。
讀寫分離
讀寫分離涉及將所有寫入和更新操作導向主伺服器，而將讀取操作導向一個或多個複製品伺服器。主要目標是分配負載，使寫入密集型操作不會成為讀取操作的瓶頸，從而提高整體效能。
實施方式：
- 應用層級：可以在應用層級實施，應用程式邏輯決定是否將查詢傳送到主伺服器或複製品。
- 代理層級：可以使用中介軟體或代理（如ProxySQL）自動將查詢路由到適當的伺服器。
ProxySQL實作範例
ProxySQL的功能超出了透過TCP層和MySQL線路協定進行負載平衡。透過與Consul代理的協調，它還提供了高用性（HA），這有助於資料函式庫的可擴充套件性。並提供了對Kubernetes、Binlog Reader和查詢規則擴充套件的更多支援。
垂直擴充套件的好處：
- 增強效能：透過讀寫分離，整體資料函式庫吞吐量增加，查詢回應時間得到改善。
- 可擴充套件性：雖然它是垂直擴充套件的一部分，但讀寫分離可以為未來的水平擴充套件奠定基礎。
InnoDB Cluster for MySQL
InnoDB Cluster是一組MySQL技術的組合，用於建立高用性和容錯的資料函式庫系統。它通常由三個主要元件組成：MySQL Group Replication，用於在MySQL伺服器之間複製資料；MySQL Router，用於將資料函式庫流量路由到叢集中的正確伺服器；以及MySQL Shell，用於管理叢集。
圖6.6 – InnoDB Cluster架構
重點回顧：
- 複製不是真正的HA解決方案；仍然可能發生資料丟失。
- 在容錯移轉和故障還原場景中，複製存在複雜性問題。
- 當複製品落後於主伺服器時，可能會提供過時的資料。
資料函式庫擴充套件技術解析
InnoDB Cluster 的關鍵特性與擴充套件考量
InnoDB Cluster 為 MySQL 提供高用性（HA）和容錯能力（FT）的解決方案。其主要特點包括：
- 自動化的容錯移轉和還原機制，確保資料函式庫服務的持續性
- 透過 Group Replication 實作資料一致性，防止資料分裂問題
- 藉助 MySQL Shell 簡化叢集管理和監控，提升操作的便捷性
雖然 InnoDB Cluster 主要專注於高用性，但它也能透過多節點的讀取操作和讀寫分離組態來提升擴充套件性。
InnoDB Cluster 的擴充套件考量
實施 InnoDB Cluster 需要仔細規劃資源和基礎設施，以確保最佳的效能和可靠性。此外，網路的穩定性和頻寬對於維持叢集的完整性至關重要。
MySQL InnoDB ClusterSet 的架構與優勢
MySQL InnoDB ClusterSet 進一步增強了 InnoDB Cluster 的彈性，透過將主叢集與位於不同地理位置的副本叢集相連線，實作跨資料中心的複製和容錯移轉。
架構圖示說明
@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam defaultTextAlignment center
skinparam rectangleBackgroundColor #F5F5F5
skinparam rectangleBorderColor #333333
skinparam arrowColor #333333
title 架構圖示說明
rectangle "複製通道" as node1
rectangle "容錯移轉" as node2
node1 --> node2
@enduml此圖示展示了 InnoDB ClusterSet 的設計，說明瞭主叢集與地理上分散的副本叢集之間的連線，以及無縫複製和容錯移轉機制。
內容解密：
- 主叢集與副本叢集之間透過專門的複製通道進行資料同步。
- 當主叢集因故停機時，副本叢集可以被啟動以保持服務連續性。
- 可以在 MySQL InnoDB Cluster 中新增讀取副本，以進一步分散負載。
其他 MySQL 叢集解決方案
Percona XtraDB Cluster 和 Galera Cluster 是實作 MySQL 高用性和擴充套件性的重要解決方案。Percona XtraDB Cluster 結合了 Galera Cluster 和 Percona Server for MySQL，提供同步的多主複製，確保在節點故障時不會丟失資料。
共識演算法在叢集解決方案中的應用
不同的共識演算法，如 Paxos 和 Raft，被應用於各種 MySQL 叢集解決方案中，用於管理節點間的共識和同步。例如，MySQL Group Replication 使用根據 Paxos 的 XCOM 來管理共識，而 Orchestrator for MySQL 則使用 Raft 共識演算法進行長官者選舉和高用性管理。
PostgreSQL 中的複製和讀寫分離
PostgreSQL 支援兩種主要的複製方式：串流複製和邏輯複製。串流複製提供即時的資料變更同步，而邏輯複製則允許選擇性資料複製和不同版本之間的複製。
程式碼範例：組態 PostgreSQL 串流複製
-- 在主伺服器上設定串流複製
ALTER SYSTEM SET wal_level = 'hot_standby';
ALTER SYSTEM SET max_wal_senders = 5;
-- 在備用伺服器上建立複製槽
SELECT * FROM pg_create_physical_replication_slot('standby_slot');
內容解密：
- 設定
wal_level為hot_standby以允許備用伺服器接受連線。 - 設定
max_wal_senders以指定最多允許的 WAL 傳送者數量。 - 使用
pg_create_physical_replication_slot在備用伺服器上建立複製槽，以實作串流複製。
讀寫分離透過將寫入操作路由到主伺服器，將讀取操作路由到備用伺服器，實作負載平衡和最佳化整體資料函式庫效能。
資料函式庫擴充套件性的理解
資料函式庫擴充套件性是現代資料函式倉管理中的一個重要議題。隨著資料量的增長和業務需求的變化，資料函式庫需要能夠有效地擴充套件以滿足這些需求。在 PostgreSQL 中，複製和讀寫分離是實作垂直擴充套件的關鍵策略。
垂直擴充套件的方法
垂直擴充套件涉及提高單一伺服器的處理能力或增加伺服器的數量。以下是一些實作垂直擴充套件的方法：
- 應用層路由：應用程式碼決定是否將查詢傳送到主伺服器或從伺服器。
- 中介軟體解決方案：使用 PgBouncer 或 Pgpool-II 等工具進行自動查詢路由和負載平衡。
垂直擴充套件的優點
- 將讀取查詢分散到多個伺服器可以提高整體吞吐量和資料函式庫的回應速度，從而獲得效能改進。
- 讀寫分離對於垂直擴充套件至關重要，可以更有效地利用現有硬體，並為未來的擴充套件需求奠定基礎。
在 PostgreSQL 中，複製和讀寫分離是實作垂直擴充套件的關鍵策略。它們促進了更好的資源利用率，並確保了效能和可靠性的提高。這些策略在增強資料函式庫處理更大工作負載的能力的同時，也需要周密的實施和管理，以實作其全部潛力。
分片和重新分片
分片是一種將資料函式庫分散到多個伺服器的技術，透過水平分割資料來將資料分散到多台機器上。
分片的優缺點
分片透過將資料分散到多個伺服器來提高資料函式庫的效能和可擴充套件性，可以顯著提高回應時間並有效地管理更大的資料量。然而，它也增加了資料函式庫設計和管理的複雜性，需要仔細規劃資料的分佈和查詢處理。挑戰包括維護跨分片的資料完整性的開銷增加，以及執行跨多個分片的複雜查詢的潛在困難。
重新分片的重要性
重新分片是在分片資料函式庫中重新分配資料以平衡負載和最佳化效能的過程。它對於維持系統效率至關重要，尤其是在資料量和存取模式不斷演變的情況下。重新分片有助於適應變化，例如增加的資料或流量，透過重新分配資源來維持或提高回應時間和服務可靠性。重新分片的重要性在於其能夠確保資料函式庫服務的可擴充套件性和高用性，使其成為管理大規模、分散式資料函式庫架構的關鍵策略。
未來趨勢和新興挑戰
隨著 Kubernetes 和其運算元的採用，現代資料函式倉管理的格局正在迅速演變。Kubernetes 運算元擴充套件了平台的能力，允許自動化複雜的資料函式庫操作。這些運算元充當自定義資源的控制器，直接在 Kubernetes 中管理狀態應用程式（如資料函式庫）的生命週期。這種方法簡化了佈署、擴充套件和管理任務，使維護高用性和執行例行備份變得更加容易。
Kubernetes 中的 MySQL 運算元
在 Kubernetes 生態系統中，有多種 MySQL 運算元可供選擇，以有效地管理 MySQL 佈署。以下是一些例子：
- Oracle MySQL Operator for Kubernetes：管理 Kubernetes 中的 MySQL InnoDB Cluster 組態，自動化整個生命週期，包括設定、維護、升級和備份。
- Percona Kubernetes Operator for Percona XtraDB Cluster：專注於自動化 Percona XtraDB Cluster 例項在 Kubernetes 中的佈署和管理。
- Presslabs MySQL Operator：旨在建立、操作和擴充套件自修復的 MySQL 叢集在 Kubernetes 中，強調高用性和備份。
Kubernetes 中的 PostgreSQL 運算元
在 Kubernetes 生態系統中，有多種 PostgreSQL 運算元可供選擇，旨在促進 PostgreSQL 叢集的佈署和管理。以下是一些值得注意的例子：
- Ubuntu Juju：Ubuntu Juju 是 Canonical 開發的功能強大的開源服務協調和建模工具。它旨在簡化跨多種雲端服務和物理伺服器的應用程式佈署、組態和擴充套件。
- CloudNativePG：一個開源、社群驅動的運算元，CloudNativePG 管理 Kubernetes 環境中高用性的 PostgreSQL 資料函式庫叢集的生命週期，利用原生串流複製。
- Crunchy Data PostgreSQL Operator (PGO)：PGO 自動化 PostgreSQL 叢集在 Kubernetes 中的設定和管理，專注於易用性、安全性和可擴充套件性。它支援多種 PostgreSQL 功能和擴充套件。
- Zalando Postgres Operator：由 Zalando 開發，該運算元自動化和簡化了 PostgreSQL 叢集在 Kubernetes 中的佈署和管理，提供諸如自動備份和自定義組態等功能。
相關技術解密
以下為使用 Kubernetes 管理 PostgreSQL 的範例程式碼：
apiVersion: postgresql.cnpg.io/v1
kind: Cluster
metadata:
name: my-postgres-cluster
spec:
instances: 3
storage:
size: 1Gi
內容解密：
此 YAML 檔案定義了一個名為 my-postgres-cluster 的 PostgreSQL 叢集，具有 3 個例項，並為每個例項分配了 1Gi 的儲存空間。這種組態簡化了在 Kubernetes 環境中佈署和管理 PostgreSQL 資料函式庫叢集的過程。
Kubernetes 和其運算元的採用代表著向更動態、雲原生的架構轉變，提供可擴充套件性和彈性，而不犧牲操作簡易性。透過利用這些工具，組織可以更好地管理其資料函式庫基礎設施，並滿足不斷變化的業務需求。
