鱼和熊掌如何兼得？一文解析RDS数据库存储架构升级

在2023年云栖大会上，阿里云数据库产品事业部负责人李飞飞在主题演讲中提到，瑶池数据库推出“DB+存储”一体化能力，结合人工智能、机器学习、存储等方法和创新能力，实现Buffer Pool Extension能力和智能冷温热数据分层能力。在大会的《云数据库RDS年度发布与最佳实践》演讲中，阿里云RDS及OLAP开源产品部负责人彭祥表示，面对当前越来越丰富且复杂的数据环境，性能、弹性、成本是数据库用户的三大重点诉求；阿里云RDS产品在业界率先推出新型存储类型——通用云盘，将云盘的IOPS与容量彻底解耦，增加缓存扩展的能力，用技术提升RDS产品IO性能，降低存储降本。

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1. 什么是通用云盘?

介绍通用云盘前，我们先来说说存储。众所周知，数据库架构设计由下至上可分为存储层、引擎层、服务层、网络层。存储层负责数据的持久化存储和读取，处于整个数据库系统架构的最底层。数据存储和数据检索读取是它的两大功能。在数据库中，存储层常见的存储类型，往往有基于物理机本地硬盘的本地盘和基于分布式存储架构的云盘。本地盘存储，数据存储与计算资源位于同一物理服务器节点上，由于数据读写不需要经过网络传输，因此IO延迟通常较低，随机读写性能高，但本地盘的存储容量受限于单个服务器的硬件配置，一旦服务器出现故障，可能影响数据的安全性和可用性，且本地盘存储容量难以独立扩展；云盘基于分布式存储架构，数据存储与计算资源分离，用户可独立地按需调整计算和存储资源，提高了资源的利用率和灵活度，但云盘通过网络为计算节点提供存储服务，多少会对IO延时有所影响，而且，云盘的性能，往往跟其容量绑定，提升性能大部分情况下势必需要提升云盘容量，除此之外，云盘不支持缩容。

而在调研和分析用户业务场景的过程中，我们发现，在多个行业，例如电商行业、新零售行业、游戏行业等，用户业务流量并不是一直持续一个水位，有明显的波峰波谷特征，如何让性能不受容量影响，顺应峰值的到来而提升，如何得到性能（低延迟、高持久）的同时做到完美的成本控制（低成本），已然成为大部分客户在数据库选型中的关注点。阿里云RDS产品，率先推出了通用云盘，同时满足用户关于低成本、低延迟、高持久性的诉求。

通用云盘，首先是一种云盘。但与当前业界主流云盘的区别在于，通用云盘深度融合PaaS层和IaaS层的技术创新，改变了传统的数据存储结构，将原有的单一数据存储划分为了三层存储结构：缓存层、数据层、冷存层。热数据存入缓存盘（High Performance Disk），温数据存入数据盘（ESSD云盘），归档数据存入冷存盘（OSS对象存储）。这样的存储结构设计中，将缓存盘作为可扩展的一部分，达到IO加速的效果；基于AliSQL独有的内核能力，轻松应对读写数据库过程中的IO突发情况发生，并支持最小10GB，最大64T的容量空间、云盘缩容以及自动秒级扩容的功能；同时，将不常用的冷数据归档存储于对象存储上，又实现使用成本的节约。通用云盘将IO性能与云盘容量解耦，使得数据层在IO性能与云盘容量两个方面都实现了极致弹性。

2. 三层存储是怎样的一种架构？

通用云盘的架构设计如上图所示，从左至右依次是缓存层、数据层、冷存层。各层存储各司其职，选择不同的存储介质，在对应存储层中发挥价值最大化。

• 缓存层：处理高IOPS和超低IO时延需求，一般百万级IOPS和微秒级IO时延需求。采用阿里云高速缓存盘（High Performance Disk），结合RDS数据库引擎的缓存技术，实现查询数据库过程中的IO加速功能，带来更高的查询性能。
• 数据层：处理低IO时延和数据可靠性需求，一般万级IOPS和毫秒级IO时延需求。采用阿里云ESSD云盘，保障数据的高可靠性和安全性，并借助基础设施和AliSQL内核的创新能力，以及RDS数据库的管控架构升级，达到IO性能与云盘容量的解耦，实现数据库读写过程的IO突发功能，提升了IO性能与云盘容量的极致弹性。
• 冷存层：处理数据持久化和存储低成本需求，一般存储在冷存层的数据不常被访问，但有超高的数据库可靠性和持久性需求。采用阿里云对象存储(Object Storage Service，OSS)，结合RDS数据库引擎的归档技术，实现了数据库的归档功能，并支持通过ALTER TABLE实现表文件在数据层和冷存层的切换，为不常访问的数据表提供了更低成本的存储选择。

表1：RDS通用云盘三层存储介质对比

3. 通用云盘有哪些特征?

在详解特性技术前，我们整理了一张通用云盘三层存储的特性对比表，如下：

表2：RDS通用云盘三层存储特性对比

3.1 缓存层特性——IO加速

IO加速是指提升数据库查询性能的一种特性。该特性主要体现在通用云盘的缓存层，发挥出高速缓存盘的高IO性能优势，从整体上提升数据库的查询性能。相比于ESSD云盘，高速缓存盘具备更高的IOPS上限和带宽上限，以及更低的IO时延。

缓存层通过两种方式实现IO加速：

• 缓存池扩展（Buffer Pool Extension, BPE）：利用高速缓存盘进行缓存池扩展，提高缓存命中率，减少数据层ESSD的访问次数，加快数据库查询速度。
• 存放临时表/文件：利用高速缓存盘存放临时表/文件，提高临时表/文件的访问速度，进而提高数据库查询性能。

基于此，IO加速特性较适合读负载较高、临时表/文件使用较多的业务场景。当前，RDS的MySQL引擎已支持上述两种方式，RDS的PostgreSQL引擎暂仅支持存放临时表/文件的方式来实现IO加速。

3.1.1 缓存池扩展（Buffer Pool Extension, BPE）

缓存池（Buffer Pool，简称BP）是数据库引擎内存区域的一部分，用于临时存储常用的数据和索引页，从而减少对磁盘的访问次数，提高数据库操作的性能和效率。因此，缓存池越大，缓存命中率就越高，数据库对磁盘的访问次数就越少，整体的查询性能和效率就越高。

但是，缓存池的大小受限于内存资源，而对于数据库系统来说，内存资源的使用往往是比较紧张的。为了能够在不增加内存资源的情况下扩大缓存，并且充分利用高速缓存盘高IO性能的优势，RDS的MySQL引擎实现了缓存池扩展的功能，对内存中的缓存池进行扩充，进一步提高缓存命中率，提升数据库整体查询性能。

缓存池扩展作用原理如上图，一次数据页读取的过程：

        1.客户端侧发起读取数据页的请求。

        2.请求进入内存的缓存池中查找指定数据页：

• 如果在缓存池中找到数据页，则返回结果给客户端侧，查询和读取结束。
• 如果在缓存池中未找到数据页，则执行步骤3。

        3.请求进入缓存盘的缓存池拓展中查找指定数据页：

• 如果在缓存池拓展中找到数据页，则返回数据页给缓存池，再返回结果给客户端侧，查询和读取结束。
• 如果在缓存池拓展中未找到数据页，则执行步骤4。

        4.请求进入ESSD的数据表文件中查找指定数据页。找到数据页后返回给缓存池，再返回结果给客户端侧。

        5.查询和读取请求结束。

3.1.2 存放临时表/文件

对于数据库引擎来说，内存中的缓存池、磁盘中的临时表/文件都会影响数据库的查询性能。临时表/文件用于当前会话或者查询中，存放数据查询过程中产生的中间结果或者超出内存的结果，一般不需要持久化存储到数据文件中，使用后便会被删除。

基于临时表/文件在业务中的无持久化需求，RDS通用云盘，有别于当前的ESSD云盘，更改了临时表/文件的存储位置。之前，RDS数据库的临时表/文件存放于ESSD数据盘中；而推出通用云盘后，临时表/文件可存储于高速缓存盘中，提升了数据库对临时表/文件的访问效率，进而加快数据库查询速度。

以8核16GB规格为例，IO加速功能测试结果如下：

• read_only QPS提升80%。
• write_only QPS提升33%。
• read_write QPS提升103%。

3.2 数据层特性——IO突发和云盘缩容

通用云盘的数据层采用云盘ESSD作为存储介质，借助ESSD云盘的创新能力实现云盘的IO性能与容量解耦，并结合数据库RDS的管控架构优势和数据拷贝能力实现云盘的缩容，为数据库实现IO性能和云盘容量两方面的极致弹性。

3.2.1 IO突发

高IO负载、波动IO负载是较为常见的两种业务场景。RDS数据库之前接入的ESSD云盘（PL1-3），其云盘IO性能与容量深度绑定，IOPS和带宽上限深受存储容量的限制。在这个限制下，应对高IO负载、波动IO负载的高IO洪峰场景时，云盘扩容成为了获得更高云盘IO性能的唯一解。

RDS的通用云盘在数据库通过技术创新，将云盘的IO性能与存储容量解耦，提供IO性能突发能力，并可根据实际业务的使用量动态调整云盘的IO上限。高IO负载时，自动触发IO突发，提升IO上限，IO负载回落后，自动恢复IO上限，实现IO性能的极致弹性，避免IO性能和成本浪费。

如下测试图例，当开启IO突发后，业务IO高峰时，RDS实例的IOPS使用率会突破100%。

图2：RDS通用云盘IO突发测试

目前，RDS通用云盘IO突发功能已支持RDS MySQL、PostgreSQL和SQL Server三款引擎。

3.2.2 云盘缩容

众所周知，云盘不支持缩容。但RDS通用云盘，借助RDS数据库管控架构和AliSQL内核的优势，结合数据拷贝功能，实现了RDS云盘缩容。同时，基于云盘本身的秒级扩容能力，可以让客户根据业务需求自由地调整云盘容量，实现云盘容量的极致弹性。

3.3 冷存层特性——数据归档

通用云盘的冷存层数据层采用对象存储OSS作为存储介质，将表级别数据归档于OSS中，并不影响用户正常查询OSS中归档表数据。开启数据归档功能后，客户可通过ALTER TABLE将表文件在ESSD数据盘与OSS对象存储之间切换，同时在OSS中的归档表支持正常的查询。

OSS存储成本远低于ESSD，所以数据归档功能可以为客户不常访问的表大幅度降低存储成本。数据归档特性较适用于有不常访问或修改的表的业务场景。冷存层通过数据库内核直接访问对象存储和借助JuiceFS访问对象存储OSS两种方式实现数据归档。

3.3.1 数据库内核直接访问对象存储

数据库内核直接访问对象存储是指归档表数据put到OSS中，并通过get访问OSS归档表数据。RDS的MySQL引擎主要采用这种方式。值得注意的是，为确保归档表的兼容性，AliSQL内核采用InnoDB引擎存储格式。因此，缓存池扩展能力（BPE）仍然能够作用于归档表，对其查询性能进行加速。

开启数据归档功能后，可通过执行ALTER TABLE，将正常表上传至OSS转变成归档表，也可通过ALTER TABLE将归档表转为正常表。归档表目前仅支持读操作，用户可通过SELECT语句访问归档表中的内容。MySQL内核会对用户指定的归档表执行具体操作如下：

• 将数据表对应的ibd文件，按照oss_block_size指定的大小（默认2MB）切分成文件块。
• 利用OSS的sdk将切分后的文件块上传到OSS中。
• 在ESSD数据盘上保留space header文件，加速实例的启动和表文件的扫描速度。

图3：RDS MySQL冷存归档数据流

3.3.2 借助JuiceFS访问对象存储

借助JuiceFS访问对象存储OSS的数据归档方式，主要用于RDS PostgreSQL引擎。

这种方式下，开启数据归档功能后，RDS PostgreSQL实例除了数据目录外，会增加归档目录/cold-jfs及对应的表空间rds_oss。客户可通过ALTER TABLE语句将对应的表转移到rds_oss表空间中。处于rds_oss表空间中的数据会借助JuiceFS文件系统上传到OSS上，并不占用ESSD数据盘空间。rds_oss表空间中的所有表均为归档表，客户可以用正常的查询语句查询归档表中的数据。

图4：RDS PostgreSQL冷存归档数据流

RDS MySQL冷存表只读性能测试结果如下：

相比于正常表，冷存表的QPS是正常表的15%左右。

4. 总结

性能、弹性、成本，是客户实际使用数据库过程中关注的三个重要方面。RDS业界率先推出的通用云盘，是PaaS层和IaaS层的深度融合的技术最佳实践，通过三层存储架构设计（缓存层、数据层和冷存层），每一层采用使用不同的存储介质，为客户提供同时满足低成本、低延迟、高持久性的体验。