海量数据，极速体验——TDSQL-A核心架构详解来了
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2021-06-15 21:34
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TDSQL-A产品定位
TDSQL-A是腾讯基于PostgreSQL自主研发的分布式超大规模在线关系型数据仓库，业务场景针对于在线高性能数据分析。
TDSQL-A有四个主要特点：
无共享MPP能实现无共享的存储，还可以实现线性的扩展；
在存储层面，通过自研列存储技术，能够做到行列混合存储；
在数据库规模方面，实现了超大规模集群的支持；
为了让客户有更好的体验，TDSQL-A还有超高速的计算能力，能够快速处理业务以及请求。
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TDSQL-A发展历程
TDSQL-A是在腾讯业务发展过程中孵化出来的产品。最早的时候我们是用单机PG来做一些大数据平台小规模的数据分析以及结果缓存。但随着腾讯业务的扩张，我们发现单机的数据库已经无法支撑相关业务的数据量及请求量，就萌生了开发分布式数据库的想法。在2013年我们启动了第一个版本的开发。
开发完成后的TDSQL-PG(原TBase V2），最早用来支撑内部商户系统。随着业务的发展，我们在V2的基础上增加了列存储和分布式异步执行器、向量化等OLAP高级能力，在融入了腾讯云的几个主要平台后，逐渐对外提供服务。TDSQL-A最近一次闪亮亮相，是为去年第七次全国人口普查提供技术支撑。作为在线数据分析引擎，TDSQL-A很好地支撑了国家人口普查的执行，起到了加好的效果。
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TDSQL-A技术架构
在对TDSQL-A产品进行研发和架构设计的时候，我们主要面临四个方面的挑战：
一是随着5G和loT时代的到来，数据呈现爆炸式的增长。单个数据库集群里面需要处理的数据的容量很容易就达到10PB级别的大小。这对传统的数据仓库及数据库来说，是一个非常有挑战的数据规模。
二是随着数据量的增大，我们需要处理的数据库业务以及各种类型的终端越来越多，对数据库的并发要求比之前更高了。我们最多的时候甚至需要处理数千个OLAP的并发。
三是随着业务系统的发展，查询会变得异常复杂，需要涉及到近十张大表的数据关联，这对数据存储和数据仓库查询优化都提出了很高的要求。
四是客户和业务对于延时的要求。客户希望我们越来越快地把结果处理完成，这样才能更好地去实现自己的商业价值和业务目标。
TDSQL-A产品的架构设计就是围绕这四个问题的解决展开的。
1. TDSQL-A实时数据仓库如何解决支持超大规模集群
对实时数据仓库来说，第一个要解决的问题就是如何去支持超大规模的集群。传统认知认为，分布式数据库集群的处理能力会随结点增多而变强。但实际上却并非如此。
下图就是我们进行分布式查询的时候需要建立的网络连接，或者说我们需要进行网络通信的管道。从图中我们可以看到，在两表进行JOIN查询时，我们少则需要两个网络连接，多则需要八个网络连接。随着SQL复杂度的提升和并发的增加，系统需要建立的网络数量则会越来越多，数据仓库的处理能力不一定会提升。
由此我们可以得出一个结论，即限制分布式数据库扩展性的核心问题之一，就是服务器连接数过高。那TDSQL-A是如何解决这个问题的呢？
全新设计的异步执行器解耦控制和数据交互
首先在执行逻辑方面，我们设计了全新的执行器，来解耦SQL执行的的控制逻辑和执行逻辑。
在查询优化阶段我们通过分析物理查询计划，对执行计划进行分片，由CN在各个节点创建执行进程。每个进程负责执行一个计划分片，这些进程不关注网络通信，相互独立执行。
假设N个节点，M层join，则会产生M*N个进程。
这种设计一方面分离了SQL执行的控制逻辑和执行逻辑；另外一方面，也将网络连接从具体执行逻辑抽象了出来，变成了一组接口，SQL执行引擎只需要关注自己的执行逻辑，对于底层的通讯逻辑则不用专门去编写代码。而且，这些进程之间相互独立，没有相互的依赖关系，没有锁和进程同步，执行效率大大提升。
集中数据交互总线解决集群网络瓶颈
在通讯逻辑方面，我们进一步引入Forward Node（FN）来进行节点间数据交互。每台物理机一个FN节点。FN与CN/DN通过共享内存进行数据交互，本机数据交互还可以不走网络层，从而提供更高的性能。假设N个节点，M层Join，且不管查询多复杂，只有S*(N-1)个网络连接数。这对于服务器来说是并不算是一个很高的负载。
我们来小结一下TDSQL-A是如何实现超大规模数据集群支持的。
我们对整个数据库的执行逻辑进行了分流，把数据库分为了控制流和数据流。所谓的控制流由控制节点，CN节点完成，它去完成执行机构的生成，执行机构的下发以及运用资源的初始化。在执行的过程中控制平面就不会再参与执行的过程，执行过程完全由执行平台来完成，执行平台主要负责执行过程中数据的交互以及整个执行过程的达成。
在执行过程中，数据流由转发平面完成，即FN节点。每个服务器上面就会部署一个FN进程，不同的物理服务器之间的FN进程相互连接在一起会组成一个转发平面。FN跟每台服务器之间通过下面的共享内存和上面的CN或DN进行通信，FN内部完成数据的交换和路由转发。
2. TDSQL-A自研行列混合存储能力提升OLAP效率
下面介绍TDSQL-A全自研的行列混合的存储能力。数据库的存储有两种方式，一个是按行存储、一个是按列存储：
按行存储表：每行数据存储所有列、一次磁盘IO可以访问一行中所有列、适合OLTP场景。
按列存储表：每列单独存储，多个列逻辑组成一行；一次磁盘IO只包含一列数据；方便做数据压缩；适合OLAP场景。
TDSQL-A支持按列存储和按行存储两种方式来建表，同时在列表和行表之间，用户不用感知到下层的表是通过行表还是列表来建，行表和列表之间可以进行无缝的互操作——包括相互关联、相互交换数据，完全不需要感知到底下的存储逻辑。
除了操作的便利性之外，行表和列表之间混合查询还能保持完整的事务一致性，也就是说在查询运行的同时，整个事务（ACID）的能力也得到完整的保证。
3. TDSQL-A列存储压缩能力降低业务成本
作为OLAP场景下的产品来说，压缩是一项非常重要的能力，这里介绍TDSQL-A的列存储压缩能力。
目前我们支持两种压缩方式：
一是轻量级压缩。这是能够感知到数据内容的一种压缩方式。它可以针对用户数据的特点提供合适的压缩方式来降低用户的成本，在有规律时达到数百倍的压缩比。我们可以针对特殊的数据，比如重复率比较高的或者是有规律、有顺序的数据进行轻量级压缩。
二是透明压缩。透明压缩主要是用zstd和gzip压缩算法来提供压缩能力，可以帮用户进一步去压缩成本，提升处理效率。
4. 延迟物化原理
在分布式场景下，特别是超大规模分布式场景下，网络IO和CPU其实是非常重要的资源。如果在计算时，网络IO达到了瓶颈，或者CPU达到了瓶颈，都会从整体上影响集群的扩展性和集群的处理能力。
目前用数据库或数据仓库进行查询时，很多使用的都是提前物化。所谓的提前物化是相对于查询来说的。其在数据库里面会分解成几步：第一步需要从下面最底层的表里面把数据查询出来，再进行关联，join完成之后再进行投影，传给上层要使用的一些列。
可以看到，在进行join时我们其实只关联了表b的f2这一列，但是投影时却投影了表b的f1这一列。这时对之前的数据库进行提前物化时，在传递数据给join时，我们就会把表b的f1和f2都吐出来。因为我们计算发现上层project需要f1这一列，但是join这里需要f2这一列，所以它就会把上层需要的所有列全部在这里算出来。但实际上如果在这个地方关联时过滤的比例很高的话，比如说现在有1%的满足率，其实大部分的f1是没有意义的，因为最终在这里通过join会被抛弃掉。在超大规模的分布式场景下，如果表里面有20亿条记录，选择率是0.01的话，这个时候就会有7.4GB的无效数据传输。对于十分依赖网络传播的分布式数据库来说，7.4个GB已经是非常可观的开销了。
因此我们引入了另外一种物化算法，即延迟物化。延迟物化可以简单理解为不见兔子不撒鹰。所谓的不见兔子不撒鹰，就是在投影的时候只拉去满足条件的那些数据，减少中间这7.4个GB的传输。这就要我们在进行Scan时，只看上层join节点需要的一些列，把它传递到上层节点去，join完成之后把满足条件的那些列的位置信息传递给上层的project节点。根据我们的测试，随着表变得越来越复杂，随着查询变得越来越复杂，表变得越来越大，我们优化的效果也越来越明显。
5. TDSQL-A全并行能力、向量化计算能力
除了上面的延迟物化外，我们还引入了系统的全并行能力。全并行能力对数据库的OLAP场景数据库来讲是一个必经之路。MPP架构让我们具备了多节点并行的架构优势，同时我们还通过优化做到了节点内部的多进程进程间的进行，并在内部使用了CPU的特殊指令做到指令级并行，因此TDSQL-A可以做到三级并行，依次是：节点级并行，进程级并行以及指令级并行。这种全并行的能力能够进一步提升我们整体的处理效率。
向量化计算能力在OLAP上也是一个必须探讨的课题。TDSQL-A也进行了一些新的尝试，并实现了向量化计算能力：数据量越大，列存非向量化和列存向量化效果越明显，在最好的情况下，列存向量化运行时间是列村非向量化的1/2，列存向量化运行时间是行村的1/8。列存储的向量化执行能够达到行存储执行1/8左右。向量化计算能力对整个OLAP性能的提升是非常明显的。
6. TDSQL-A的多平面能力提供一致的读扩展性
在整体架构上，TDSQL-A也提供了比较好的一致性的读扩展能力。
一致性的读扩展能力是跟随业务场景的催生的技术特性。有一些客户反映过这种的情况，就是在数据库CPU，内存已经用满的情况下，还有更多的业务请求要加进来。为了满足这种读的扩展性需要，我们就研发出了能够提供读取能力的多平面特性，简单理解就是在读写平面的基础上，通过内部复制的方式来创建出一个只读平面，去处理只读的请求。相比之前新建数据库集群的方式，这种做法在降低了业务成本和系统复杂度的同时，也帮助客户解决了很多现实的问题。
7. TDSQL-A整体技术架构小结
TDSQL-A整体的技术架构可以总结成六点：
通过集中式的网络架构、网络融合通信技术以及后面在执行级层面引入的能力，可以进一步去拓展分布式MPP数据仓库的存储规模的上限，达到数千台的规模；
通过向量化技术，底层整个执行级的逻辑优化，做到极速OLAP的响应；
在存储层面通过多种高效的数据压缩方式，提供极高的压缩比，帮助业务去节省经营成本；
在接口层面完整兼容了SQL2003，同时对ORALE语法兼容性达到95%，包括存储过程、触发器等一系列内容；
支持行列混合存储及行列混合操作的能力；
借助特有能力去访问外部数据源，包括分布式对象存储，HDFS存储等，能够实现存储与计算分离。
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TDSQL-A后续规划
TDSQL-A的后续规划分为两部分：
一方面是陆续将目前基于PG10的版本，merge到PG11、PG12、PG13等更高版本，持续地跟进社区版本丰富的特性，来提升用户的体验，为客户创造更多价值。
另一方面，随着硬件技术的不断发展，包括GPU、FGA以及APE这些新硬件的发展，给我们创造了为客户创造更高价值可能性，TDSQL-A也希望通过引入新硬件，来提升产品竞争力，为客户提供更好的服务。
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