TiDB分布式数据库架构介绍

rockjh
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简介

  1. TiDB是一个兼容MySql协议的分布式数据库，对比普通单机数据库有以下优势

    • 纯分布式架构，拥有良好的扩展性，支持弹性的扩缩容
    • 支持 SQL，对外暴露 MySQL 的网络协议，并兼容大多数 MySQL 的语法，在大多数场景下可以直接替换 MySQL
    • 默认支持高可用，在少数副本失效的情况下，数据库本身能够自动进行数据修复和故障转移，对业务透明
    • 支持 ACID 事务，对于一些有强一致需求的场景友好，例如：银行转账
    • 具有丰富的工具链生态，覆盖数据迁移、同步、备份等多种场景

  2. 主要由三个部分组成：集群的元信息管理模块PD、SQL解析层TiDB Server、数据存储层TiKV和TiFlash image.png

数据存储层

  1. TiDB可选择行存储的TiKV和列存储的TiFlash两种存储引擎，他们底层都使用RocksDB的KV进行存储，以Region（有序的key，大小默认96M）为单位存储副本
    • TiKV作为行存储可以满足OLTP（在线事务处理）的特性
    • TiFlash作为列存储可以满足OLAP（在线分析处理）的特性，并且他不能单独插入数据，只能基于TiKV的某个Region作为raft group的learner角色进行异步复制数据 image.png
  2. Region是作为集群操作的最小单元，当空间使用超过/降低到一定的阈值(144M/20M)，会进行Region的拆分/相邻合并 image.png
  3. 避免单机问题以Region为单位进行多副本存储，一个Region为Raft group进行多副本同步。raft的日志同步是在rocksDB存储之上进行的，是先同步再分批leader/follower/learner各自写入自己的rocksDB实例 image.png
  4. 也提供了MVCC多版本控制，是基于RocksDB本身的多版本控制来实现的，会多存储一些版本号，老旧的版本数据会在一定时间后删除

TiDB Server

  1. TiDB Server本身不存储任何中间数据，作为集群可以使用负载均衡分担客户端的请求；客户端用户使用的是SQL的协议和语法，在存储底层使用的是RocksDB的KV存储，因此需要TiDB Server做一个转换

    image.png

  2. 表和记录与有序KV存储之间映射关系

    • 每个表都有唯一的tableId；每一行数据都有唯一的rowId，每个索引行都有唯一的indexId
    • 一行数据：key = t{TableID}_r{RowID}，value = 一行数据字段使用逗号分割
    • 唯一索引：key = t{tableID}_i{indexID}_indexedColumnsValue, value = rowId
    • 普通索引：key = t{TableID}_i{IndexID}indexedColumnsValue{RowID}，value = null

  3. 其他功能：处理客户端的连接、在线DDL的执行、回收TiKV历史版本的数据

PD

  1. 是整个集群的大脑，主要提供以下功能：
    • 存储每个TiKV节点数据分布情况和整体拓扑结构、下发数据平衡命令给具体的TiKV节点、leader数量在节点之间均匀分配、多个Region副本不在同一个节点
    • 提供TiDB Dashboard管控界面
    • 为分布式事务分配事务ID
  2. 每个TiKV节点会定期向PD汇报节点的状态信息，大概包含下列信息
    • 总磁盘容量
    • 可用磁盘容量
    • 承载的Region 数量
    • 数据写入/读取速度
    • 发送/接受的 Snapshot 数量（副本之间可能会通过 Snapshot 同步数据）
    • 是否过载
    • labels 标签信息（标签是具备层级关系的一系列 Tag，能够感知拓扑信息 image.png
  3. 每个Raft Group的Leader会定期向PD汇报Region的状态信息，主要包括下列信息
    • Leader 的位置
    • Followers 的位置
    • 掉线副本的个数
    • 数据写入/读取的速度

分布式事务

分为乐观锁和悲观锁，因为RocksDB的一个key就相当于一行数据数据，因此也是采用类似mysql锁的形式，对所有leader Region中对应的key加锁，进行2PC协议进行分布式事务提交，性能依旧会有降低，乐观锁的流程大致如下

image.png

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