周家恩：GaussDB(for MySQL) 云原生数据库技术演进和挑战
演讲内容
摘要：GaussDB(for MySQL)是华为自研云原生数据库，具有高性能，高扩展，高可靠的特点，完全兼容MySQL协议，自研架构和友好的生态兼容性，可以同时满足数据库管理员、应用开发者、CTO的运维、使用和业务发展需求，本次主要介绍GaussDB(for MySQL)在云原生技术方向上遇到的挑战和未来的发展演进路径。
在2023云数据库技术沙龙 “MySQL x ClickHouse” 专场上，华为云数据库高级产品经理周家恩，为大家分享一下《GaussDB(for MySQL)云原生数据库技术演进和挑战》的一些技术内容。
分享嘉宾
周家恩，华为云数据库高级产品经理，10年以上数据库技术运维，产品管理经验，先后在多家TOP云厂商任职产品经理，熟悉MySQL，SQL Server等多款数据库管理，维护以及商业运营工作，现任华为云数据库高级产品经理，负责原生数据库GaussDB(for MySQL)产品管理和设计，运营工作。
本文内容根据演讲录音以及PPT整理而成。
GaussDB(for MySQL)云原生技术的演进和挑战
大家好，先让我自我介绍一下。目前我在华云数据库团队担任数据库产品经理，主要负责MySQL领域的产品规划。今天我带来的主题是《GaussDB(for MySQL)云原生技术的演进和挑战》。
华为数据库的发展历程
让我们先来看一下华为数据库的发展历程。可能在许多人的眼中，华为是以硬件起家的公司。但实际上，华为数据库的发展已经开始了十几年，起步非常早。在云这块的话有几个阶段，我们主要分成两条线：开源和云原生数据库。
开源方面，我们涉及到的是RDS和MySQL。而对于云托管，我们早在2014年15年左右就开始了内部业务的使用。此外，我们还推出了云原生数据库，其中包括云原生MySQL。亚马逊在2014年推出后，很多云厂商都不断地在借鉴和学习。在2018年和2019年，我们发布了第一个商用版本。
在我们看来，云原生数据库与存储的可用性、可靠性和性能密切相关。华为的企业级存储在中国市场拥有非常不错的市场占有率，因此我们将云原生数据库与华为的企业级存储紧密融合。随着架构和技术的不断演进，我们在2019年推出的商用版本，这就是我们华为数据库发展的历程。
GaussDB(for MySQL)的系统架构
让我们来了解一下GaussDB(for MySQL)的系统架构。GaussDB(for MySQL)是一款基于存算分离架构的云原生数据库，完全兼容MySQL协议，并由华为自主研发的分布式存储系统作为底层支撑。它采用active架构，相比传统开源架构，不需要备库进行数据同步，从而节省了用户的成本。最关键的一点是，GaussDB(for MySQL)采用日志即数据架构，这一架构最早由亚马逊的Aurora推出。该架构的优势在于优化了MySQL事务提交路径，从而显著提升了整个事务提交的性能。
高性能
让我们先来了解一下我们在性能方面做了哪些工作。通常来说，云原生数据库在性能方面领先于传统架构。我们经过实测发现，在写入性能方面，我们的性能是开源架构的七倍。这主要归功于我们的架构设计。
我们采用了存算分离架构，不同厂商的设计会有所不同，但我们的设计与亚马逊的Aurora比较相似，可以说华为的架构与亚马逊最接近。我们采用了日志即数据架构，即在整个事务写入时，我们会直接进行REDO落盘即事务提交，不需要再从计算节点刷脏页到磁盘，从而大幅减少了整个事务提交的网络负载和开销。因此，我们的写入性能比开源架构和没有采用这种架构的厂商都要高。
本次活动中我们主要讨论MySQL x ClickHouse，在TPCH领域，我们也做了很多优化工作，并开发了并行查询技术，从而在性能方面取得了很大的提升。下面看一下我们在性能这块做了一些优化。
并行查询
就并行查询而言，目前我们在TPCH的22个SQL中的整体性能提升可以达到26倍。华为在并行查询方面所做的一些工作与其他厂商也稍有不同。
近数据处理NDP
就目前在云原生数据库领域比较大的几家友商来说，例如Aurora，在并行查询这个方面，它是通过将算子下推到存储引擎上来实现的。而亚马逊并不是在SQL引擎这一层面进行并行操作，它主要是充分利用了其分布式存储来提升性能。而像国内其他友商，则主要是在SQL引擎层面进行并行操作。
其实我们做了两个方面的工作。一方面，在SQL引擎层面，我们实现了并行操作，就像上一页所讲的那样。另一方面，我们还实现了NDP算子下推，充分利用了分布式存储的性能，将底层存储资源充分利用起来。我们对复杂的算子、Filter、Projection、谓词包括比较运算等进行了下推优化，同时也对快速列和虚拟列进行了下推。因此，在复杂查询方面，我们称之为“双轮驱动”，这也是我们与其他厂商不同的地方。接下来，看下实际的性能表现。
NDP在TPCH场景最高节省率超过90倍
这个就是开启NDP在TPCH场景下的一个性能表现。开启以后，最高场景是可以就是计算到网络之间的开销。开源的MySQL在进行大的复杂查询时，我们需要将数据从磁盘传输到计算层进行计算，会有大量网络开销，而通过算子下推技术，TPCH处理多个SQL时，我们看到网络开销的最高节省率超过90倍。在性能方面，我们测试了NDP+PQ场景，该技术品牌被称为NDPQ。性能表现最高提升高达30倍以上。
跨AZ部署高可用，数据安全可靠
在可用性方面，我们的DFV支持跨AZ能力。目前，华为云国内的主力region包括上海、北京、广州、贵阳、乌兰察布等都支持3AZ部署。未来，3AZ部署也将成为华为云GaussDB(for MySQL)的默认架构。今年我们正在开通的节点中，包括香港、曼谷以及拉美、中东等地区。在欧洲，我们与德国电信和法国电信合作，推动GaussDB(for MySQL)全球化进程。我们的跨AZ能力可以实现RPO=0，保证数据的高可靠性。
自动弹性扩展
关于扩展性，我们知道在云上使用MySQL数据库，它更适合互联网业务，尤其是互联网、游戏和电商等用户。当然，现在政企客户也越来越多地上云，我们也为此做了节点的自动扩展，以满足更多不同类型客户的需求。目前，我个人觉得现在云有一个非常重要的的趋势发展，其中一个关键的趋势是HTAP。另外，Serverless也是一个重要的趋势。我们可以看到，像亚马逊去年的invent大会上最核心的发布之一，就是所有数据库开始向是Serverless化发展。
在云上除非技术实力特别强之外，用户最关注的问题就是成本。因此，我们提供了一种类似于Serverless的服务，支持按需自动弹性扩展。这是我们早期推出的一个雏形，其中包括自动弹性扩展周期和按需模式。由于采用了存算分离架构，加节点的弹性过程非常快速，一般只需要五到十分钟即可完成。因此，它的速度比传统的MySQL快得多。传统的MySQL在数据量不断增加时，进行规格变更和加节点所需的时间非常长。
秒级快照备份
在备份方面，我们的存储采用基于AppendOnly模式的DFV存储。我们实现了秒级快照，这是我们自己开发的快照系统。我们进行了测算，发现大约1TB的数据备份恢复只需要三四十分钟即可完成。
我们还将在今年年底推出backtrack功能，该功能基于存储的多版本特性，用户可以在选择的时间点范围内进行回溯操作，往前或往后。我们可以将1TB数据这个级别的回溯时间控制在五分钟以内。
数据库代理实现自动读写分离
再看数据库代理服务，我们目前支持用户按需购买服务。默认情况下，我们不提供代理服务。如果用户有需求，可以按需购买读写分离服务，无需对其业务进行任何改动即可自动实现读写分离。
我们今年对读写分离进行了大量的优化，其中包括基于负载均衡模式的支持，我们还根据业务特征，支持用户选择最终一致性、会话一致性和全局一致性三种一致性级别。
我们的代理服务支持只读模式和读写模式。如果用户需要在分析型业务和交易型业务之间进行物理隔离，可以选择只读模式。在只读模式下，代理服务会为用户创建不同的只读节点，从而实现对分析业务和交易业务的物理隔离。
HTAP只读分析节点
接下来介绍我们的HTAP只读分析节点。这是我们在HTAP领域中不断推进的一步。正如我之前所述，我们在复杂查询方面采用了并行查询和算子下推等技术。然而这些还不足以满足所有用户的需求，因为这2个技术本质上仍在同一份数据上进行操作，也就是说还是在整个一套系统里面。
因为大家都知道，在做TPCH这样的场景时，对整个资源的消耗是不可控的。一个分析业务可能会影响到交易型业务。为了解决这个问题，我们开发了只读分析节点，它基于ClickHouse实现。通过CDC模式，我们可以将用户交易数据从GaussDB(for MySQL)同步到ClickHouse。正如之前的嘉宾所介绍的，我们也是采用了基于binlog的方案。
我们目前还处于公测阶段，主要服务于华为内部的终端消费者，例如华为手机、手环和运动健康等业务。这些业务的一部分分析业务已经迁移至我们的只读分析节点上。
并行创建索引，提升性能六到七倍
关于并行创建索引，我们都知道社区版的MySQL在创建索引时是单线程操作，无法实现多线程。因此，如果要创建一个较大的索引，耗时会非常高。为了解决这个问题，我们开发了多线程的索引创建功能，多线程被设计用于从存储读取数据、排序以及创建索引等操作。经过测试，该功能相比于开源版本的MySQL，可以提升性能六到七倍。
Serverless领域技术实践
在我们后续产品的演进中，Serverless将是一个非常关键的方向。我们计划在今年上半年（五六月份）进行Serverless的公测，下半年则会正式商用。在Serverless领域，我们已经做了很多探索。目前业内最为出色的Serverless产品是亚马逊的Serverless V2。虽然亚马逊在最初推出的Serverless V1已经引起了不少关注，但它仍存在某些局限性，例如扩缩的粒度和速度可能不够理想。但是随着Serverless V2的推出，它的扩缩粒度可以达到0.5 ACU，而且端到端的感知速度只需十秒钟。因此，当时的亚马逊Serverless V2可以说是引领了整个云原生数据库Serverless的发展趋势。
我们还在技术方面进行了很多创新。其中，我们实现了快速弹性的缓冲池（buffer pool），并在内核层面对其进行了加速。通过这一技术，我们可以实现毫秒级的扩展，从而在端到端的运行过程中，经过内部环境测试后，可在大约十秒钟内（甚至可能更快，大约八秒左右）完成。
我们还探索了一些技术，例如ALT应用透明迁移。在Serverless领域，跨机操作是一个关键点。在单机内，我们可以相对简单地实现弹性伸缩，但是在云上，我们需要考虑如何跨多台物理机运营，如何扩大资源池规模。这带来的问题是资源池水位可能会比较高，在扩展过程中可能会出现资源不足的情况，这时我们需要跨机操作，因此保证迁移的平稳性和不中断就显得尤为重要。我们实现了ALT应用透明迁移技术，通过事务状态保持等方式，实现了平稳迁移。
在Serverless领域，我们已经实现了按需付费的存储，计算层计划在今年五六月份推出，而Serverless代理层预计会在今年年底推出。
保险公司客户案例
最后再看一下我们的几个案例，其中第一个种子用户是国内比较大的保险公司。他之前使用的是Oracle，但由于国产化的需求和去O的需求，他们选择了我们的服务。由于我们的服务可以部署在公有云上，我们通过一些专家服务和相关工具对该公司业务进行评估，并将其迁移到GaussDB(for MySQL)。迁移完成后，该公司的TCO降低了50%。
华为终端案例
我们的另一个案例是华为终端。整个业务规模非常大，涵盖了华为整个手机业务、汽车业务以及应用商店等实例，实例数量可以达到非常大的规模。以前，由于线下的自建数据库存在许多痛点，他们有一个庞大的DBA团队来维护。经常面临可用性和运维相关的问题，以及如果发生切换，可能会面临数据丢失的情况。
迁移到GaussDB(for MySQL)后，他们面临的问题像数据丢失就已经不存在了。此外，我们不断演进，扩展了自动弹性伸缩等特性。让用户的成本降低了40%左右。同时，他们以前使用了商业的分析型数据库软件，也开始逐步使用我们的HTAP分析只读节点，这进一步降低了整体的成本。
本次大会围绕“技术进化，让数据更智能”为主题，汇聚字节跳动、阿里云、玖章算术、华为云、腾讯云、百度的6位数据库领域专家，深入 MySQL x ClickHouse 的实践经验和技术趋势，结合企业级的真实场景落地案例，与广大技术爱好者一起交流分享。