紅遍全球的云原生數(shù)據(jù)庫，未來將走向何方？

科技云報(bào)道原創(chuàng)。

如今，企業(yè)面臨著指數(shù)級(jí)遞增的海量存儲(chǔ)需求，業(yè)務(wù)也面臨更多的熱點(diǎn)和突發(fā)流量帶來的挑戰(zhàn)。由于企業(yè)需要降本增效，進(jìn)行更智能的數(shù)據(jù)決策，傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)難以滿足和響應(yīng)快速增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)訴求。

在此背景下，云原生數(shù)據(jù)庫成為大勢(shì)所趨，不管是老牌的數(shù)據(jù)庫廠商，還是大型云計(jì)算企業(yè)都在向這一趨勢(shì)靠攏。

全球知名咨詢公司Gartner指出，云將主導(dǎo)數(shù)據(jù)庫市場(chǎng)的未來，到2022年，75%的數(shù)據(jù)庫將被部署或遷移至云平臺(tái)，只有25%的數(shù)據(jù)庫會(huì)在本地運(yùn)行。云化無疑代表了未來，企業(yè)如何在云原生架構(gòu)下使用數(shù)據(jù)庫，就成為必須要思考的問題。

云原生數(shù)據(jù)庫正當(dāng)時(shí)

云原生數(shù)據(jù)庫，是一種通過云平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建、部署和分發(fā)的服務(wù)。這種云原生屬性是相比于其他類型數(shù)據(jù)庫最大的特點(diǎn)。作為一種云平臺(tái)，云原生數(shù)據(jù)庫以PaaS的形式進(jìn)行分發(fā)，用戶可以將該平臺(tái)用于多種目的，例如存儲(chǔ)、管理和提取數(shù)據(jù)。

云原生數(shù)據(jù)庫通常通過在云基礎(chǔ)設(shè)施之上安裝數(shù)據(jù)庫軟件來實(shí)現(xiàn)，這種方式使得云原生數(shù)據(jù)庫具備了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所不具備的直接訪問性和運(yùn)行時(shí)可伸縮性。

首先是普遍可訪問和高可用性。

因?yàn)樵圃鷶?shù)據(jù)庫是完全存在于云上的，所以可以隨時(shí)隨地從多前端訪問，提供云服務(wù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。因其集群部署在云上，所以單點(diǎn)失敗對(duì)服務(wù)的影響特別小。當(dāng)需要升級(jí)或更換服務(wù)的時(shí)候，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不中斷服務(wù)的逐漸升級(jí)。

其次是高擴(kuò)展性與可遷移性。

云原生數(shù)據(jù)庫會(huì)與底層的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施分離，所以能夠靈活及時(shí)的調(diào)動(dòng)資源進(jìn)行擴(kuò)容和縮容，從容應(yīng)對(duì)流量激增可能帶來的壓力，以及流量低谷期因資源過剩造成的浪費(fèi)。正是因?yàn)槟軌蜢`活擴(kuò)縮容，云原生數(shù)據(jù)庫也具備很強(qiáng)的可遷移性，我們甚至可以粗暴的理解為，在新的位置擴(kuò)容100%，又在舊的位置縮容全部的50%。

此外，云原生數(shù)據(jù)庫還具備可監(jiān)控性和安全性的特征。

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的黑箱狀態(tài)下，是無法保證及時(shí)處理擴(kuò)容、節(jié)點(diǎn)故障等需求和問題的，但是云原生數(shù)據(jù)庫全盤部署在云上，且各服務(wù)之間相互獨(dú)立，因此可以對(duì)應(yīng)用或服務(wù)提供更多層的安全防護(hù)，并實(shí)現(xiàn)許多新的容錯(cuò)服務(wù)。

最后是演進(jìn)式設(shè)計(jì)與快速迭代。

云原生數(shù)據(jù)庫中的各項(xiàng)服務(wù)之間是相互獨(dú)立的，個(gè)別服務(wù)的更新并不會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生不利影響，而不是一旦出了問題就只能全場(chǎng)熄火。此外，云原生的研發(fā)測(cè)試和運(yùn)維工具是高度自動(dòng)化的，這使得應(yīng)用的更新會(huì)更加快速頻繁。

下一代云原生數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

近十年是數(shù)據(jù)庫市場(chǎng)發(fā)展最快的十年。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)庫市場(chǎng)營(yíng)收已經(jīng)達(dá)到整個(gè)軟件市場(chǎng)的18.4%，而云數(shù)據(jù)庫貢獻(xiàn)了其中的68%。

特別是近幾年，云原生數(shù)據(jù)庫的理念為市場(chǎng)和各大云廠商所認(rèn)可，各大廠商紛紛在自研云原生數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，未來的云數(shù)據(jù)庫市場(chǎng)是自研云原生數(shù)據(jù)庫之間的競(jìng)爭(zhēng)。

在云原生數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，AWS于2014年推出的Aurora是先行者。國(guó)內(nèi)廠商也不甘落后，阿里云在2017年推出了PolarDB，騰訊云在2018年推出了CynosDB，華為云在2020年推出了GaussDB for MySQL。各大廠商都希望基于成熟的基礎(chǔ)設(shè)施“云”化技術(shù)，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)上的短板。

盡管云原生數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，很好地解決了傳統(tǒng)架構(gòu)數(shù)據(jù)庫的諸多缺陷，如：數(shù)據(jù)問題回檔慢、維護(hù)成本高、可用性低、故障恢復(fù)慢等，讓企業(yè)能夠更高性能且靈活地訪問數(shù)據(jù)。但不可否認(rèn)的是，云原生數(shù)據(jù)庫才剛剛走出了第一步。

首先是實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和計(jì)算分離，打破了存儲(chǔ)的單機(jī)限制，使得存儲(chǔ)獨(dú)立彈性成為可能，并為后續(xù)的一寫多讀集群奠定了基礎(chǔ)。

其次是基于分布式共享存儲(chǔ)的一寫多讀架構(gòu)，使得數(shù)據(jù)庫的讀能力可以快速Scale Out，同時(shí)由于多個(gè)讀節(jié)點(diǎn)和寫節(jié)點(diǎn)共享同一份存儲(chǔ)，降低了成本，提升了資源利用率。

雖然當(dāng)前的云原生架構(gòu)解決了存儲(chǔ)的彈性問題和讀擴(kuò)展問題，極大的提升了云原生數(shù)據(jù)庫的彈性和擴(kuò)展能力，但是依然存在兩個(gè)比較大的瓶頸點(diǎn)，即內(nèi)存彈性和單點(diǎn)寫入問題。

因此，阿里云數(shù)據(jù)庫的總負(fù)責(zé)人、達(dá)摩院數(shù)據(jù)庫首席科學(xué)家李飛飛認(rèn)為，下一代云原生數(shù)據(jù)庫架構(gòu)將在以下兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)突破：

當(dāng)前的云原生架構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)和計(jì)算分離，存儲(chǔ)獨(dú)立彈性，但是計(jì)算節(jié)點(diǎn)仍然包含了CPU和內(nèi)存，無法真正實(shí)現(xiàn)秒級(jí)彈性擴(kuò)容和Serverless。因此在云原生數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)CPU和內(nèi)存分離，內(nèi)存獨(dú)立彈性非常有必要。同時(shí)CPU和內(nèi)存分離可以讓多個(gè)CPU共享同一份內(nèi)存，降低內(nèi)存資源開銷。

當(dāng)前一寫多讀的云原生架構(gòu)，雖然實(shí)現(xiàn)了讀能力的擴(kuò)展，但是寫能力仍然受到單機(jī)的限制，無法擴(kuò)展。而采用分庫分表的分布式數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展，又會(huì)犧牲兼容性，需要應(yīng)用感知和改造。

多寫架構(gòu)主要困難在于信息交互的低效，導(dǎo)致線性擴(kuò)展性低下。在CPU和內(nèi)存分離以后，多個(gè)CPU可以共享同一個(gè)內(nèi)存池來交換頁面信息和事務(wù)信息，同時(shí)結(jié)合高性能RDMA網(wǎng)絡(luò)和NVM，使得高性能多寫架構(gòu)成為可能。

未來的云原生分布式數(shù)據(jù)庫

隨著企業(yè)業(yè)務(wù)更加數(shù)字化、智能化，企業(yè)面臨的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量將會(huì)更加巨大，面臨著更多突發(fā)狀況帶來的挑戰(zhàn)。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，2025年，三分之二的企業(yè)將會(huì)每天都發(fā)布軟件版本，通過敏捷的開發(fā)能力來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與交付，以形成差異化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

在這樣的商業(yè)趨勢(shì)下，數(shù)據(jù)庫就需要全面進(jìn)入云原生+分布式的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)智能升級(jí)，充分釋放云計(jì)算紅利。

所謂的分布式，是面向業(yè)務(wù)擴(kuò)展而出現(xiàn)的一個(gè)概念，而分布式數(shù)據(jù)庫，就是為了解決存儲(chǔ)可擴(kuò)展性的一類數(shù)據(jù)庫。

它是由多個(gè)相互連接的數(shù)據(jù)庫組成，這些數(shù)據(jù)庫分布在各個(gè)數(shù)據(jù)中心，通過中央服務(wù)器進(jìn)行通信，然后組合在一起形成一個(gè)面向用戶的單個(gè)數(shù)據(jù)庫。基于Shared Nothing的架構(gòu)，分布式數(shù)據(jù)庫能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的水平分片、水平擴(kuò)展。

而云原生數(shù)據(jù)庫是基于Shared Everything + Shared Storage 的存儲(chǔ)計(jì)算分離架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)資源池化高效管理。

因此，云原生數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢(shì)+分布式數(shù)據(jù)庫的效率，可以將兩者的特性完美結(jié)合，代表了一種未來的解決方案。

事實(shí)上，云原生和分布式如今已經(jīng)融為一體。如果底層基礎(chǔ)設(shè)施全部云化，人們思考技術(shù)問題的角度自然變成“云原生”角度。

正如華為輪值董事長(zhǎng)徐直軍所說，隨著云原生應(yīng)用深入企業(yè)各個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，云原生正在走向分布式，滿足跨云跨地域統(tǒng)一協(xié)同治理、保證一致應(yīng)用體驗(yàn)等新需求。

未來，將云原生與分布式結(jié)合起來，全新的云原生分布式架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫將具備高擴(kuò)展性、易用性、迭代快速、成本降低等特點(diǎn)，具體而言：

云原生分布式數(shù)據(jù)庫與底層的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施分離，所以能夠靈活及時(shí)調(diào)動(dòng)資源進(jìn)行擴(kuò)容縮容，以從容應(yīng)對(duì)流量激增帶來的壓力，以及流量低谷期因資源過剩造成的浪費(fèi)。生態(tài)兼容的特點(diǎn)，也讓云原生數(shù)據(jù)庫具備很強(qiáng)的可遷移性。

云原生分布式數(shù)據(jù)庫非常易于使用，它的計(jì)算節(jié)點(diǎn)在云端部署，可以隨時(shí)隨地從多前端訪問。因其集群部署在云上，通過自動(dòng)化的容災(zāi)與高可用能力，單點(diǎn)失敗對(duì)服務(wù)的影響非常小。當(dāng)需要升級(jí)或更換服務(wù)時(shí)，還可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不中斷服務(wù)的輪轉(zhuǎn)升級(jí)。

云原生分布式數(shù)據(jù)庫中的各項(xiàng)服務(wù)之間相互獨(dú)立，個(gè)別服務(wù)的更新不會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生影響。此外，云原生的研發(fā)測(cè)試和運(yùn)維工具高度自動(dòng)化，也就可以實(shí)現(xiàn)更加敏捷的更新與迭代。

建立數(shù)據(jù)中心是一項(xiàng)獨(dú)立而完備的工程，需要大量的硬件投資以及管理和維護(hù)數(shù)據(jù)中心的專業(yè)運(yùn)維人員。此外，持續(xù)運(yùn)維會(huì)造成很大的財(cái)務(wù)壓力。云原生分布式數(shù)據(jù)庫以較低的前期成本，獲得一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的資源分配。

結(jié)語

應(yīng)用程序和軟件開發(fā)正在經(jīng)歷一場(chǎng)云原生的變革，從編排、管理到分析，所有的東西都開始在云上從頭構(gòu)建。由于在功能和可靠性上優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再加上增強(qiáng)的可伸縮性，云原生分布式數(shù)據(jù)庫無疑代表了數(shù)據(jù)庫的未來。可以預(yù)見，誰能夠把云原生和分布式技術(shù)結(jié)合得更加完美，誰就會(huì)在未來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

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