华为《GaussDB: A Cloud-Native Multi-Primary Database with Compute-Memory-Storage Disaggregation》论文被国际数据库顶会VLDB 2024收录，该论文创新性提出了GaussDB云原生数据库的三层池化解耦架构，以及实现多节点透明多写的核心技术。通过三层池化解耦技术，显著提升了云数据库弹性能力；通过分布式内存缓冲池、热温冷数据分层自适应读写、本地亲和性读写、数据智能路由与汇聚、细粒度页面级Lamport LSN等技术，提升了数据库的透明多写性能；通过内存和磁盘双检查点、Past Image就近页面恢复等机制，实现节点故障秒级恢复（RTO<6s），存活节点持续运行，业务不中断；提出计算层无状态设计机制，实现了秒级计算节点弹性伸缩，提出了基于Bucket的细粒度一致性哈希算法，实现内存节点在线弹性扩展。
下面对论文进行全方位解读，揭开GaussDB云原生数据库的面纱。
背景介绍
新应用场景持续涌现、业务负载快速增加，叠加新硬件技术的不断突破，成为推动数据库架构演进变革的重要推力。OLTP关系型数据库自问世以来，先后出现了主备架构、shared-disk多主架构、shared-nothing分布式架构和云原生存算分离主备架构。如何在云环境下充分发挥先进硬件优势，突破现有架构吞吐扩展能力瓶颈，成为近些年工业界和学术界研究的热点，云原生三层解耦多写数据库正是在这样的背景下产生的。
核心技术解读
高性能
以D*和O*为代表的传统shared-disk多主架构，支持多节点透明多写，具备一定的吞吐扩展能力，在很长一段时间成功的支撑了企业关键业务负载。但其限制也很明显，首先D*和O*多写架构依赖专有硬件，弹性伸缩能力差，TCO较高，用户易被Lock in，在云计算和通用服务器大行其道的背景下，越来越多的用户希望多写架构能够运行于开放平台之上。另外，D*和O*的多节点并发事务状态多采用中心化模式设计，导致其扩展线性比较低，在重业务负载情况下，资源的扩展并不能带来对等的性能收益，导致其业务承载能力受到限制。
为继承D*和O*透明多写能力，同时充分利用云平台资源弹性和RDMA高速网络等先进硬件技术，当前业界头部数据库厂商均积极研究云原生多写架构。近期，某云厂商推出的云原生多主数据库，采用计算-内存-存储三层解耦的云原生架构设计，基于中心化组件实现多节点透明多写，是该方向架构演进的一个突破。但从其发表论文的测试数据来看，32节点TPCC吞吐为910万tpmC，而华为GaussDB云原生数据库在相同32节点可达3000+万tpmC的吞吐能力，支持128节点（16384鲲鹏核心）部署，能够支撑PB级OLTP业务规模，目前已在华为内部支撑实际业务生产。
存在上述性能差距的原因，笔者认为有如下几点：
第一，国内云厂商多写数据库的页面跨节点修改，采用进程级LLSN实现WAL记录的保序，而GaussDB云原生数据库采用细粒度页面级Lamport LSN保序，进程内无全局冲突点，在多核/众核环境下扩展性更强，能够更好的发挥硬件算力。
第二，GaussDB云原生采用页面亲和性设计，脏页面无需回写共享内存，而该云厂商数据库采用中心式全量脏页面管理机制，事务产生的脏页面均须回写共享内存，造成大量页面在网络间频繁传递。
GaussDB云原生数据库架构图
GaussDB云原生数据库在节点亲和性算法设计方面，除了分布式缓冲池的页面属主和读授权机制外，Undo段和FSM算法也充分考虑了节点亲和性设计，将节点间的网络交互降至最低，确保极致性能。
在Undo segment的节点亲和性设计上，从undo tablespace分配空间，多节点共享undo tablespace，而每个计算节点使用分布式锁机制亲和性分配Undo segment，每个Undo segment同一时刻只能被一个计算节点绑定。
Undo segment亲和性分配机制图
在FSM空闲空间管理节点亲和性算法上，针对Heap FSM采用自动分区机制优化表数据插入分配页面算法，减少节点间冲突；针对索引空页面管理，采用自动分区机制优化索引查找空页面算法，减少节点间冲突。
空闲空间管理亲和性分配机制
高可用
在高可用方面，GaussDB云原生数据库的节点故障能够做到6s内恢复，且对其他正常节点无影响，而其它厂商需要30s以上。可用性存在上述差异的根本原因在于，该云厂商部署在共享内存层支撑多写的核心组件存在单点问题，保存其上的全量脏页面、锁、事务状态等信息，在故障时需要全量恢复，特别是全局Buffer Pool，需要从共享存储的检查点依次恢复，较为耗时。与之相对比，GaussDB云原生围绕高可用做了大量创新：
首先，共享内存无脏页状态设计，仅内存节点故障时无需恢复WAL；
其次，计算节点采用Past-Image设计，计算节点故障可从最近Image恢复，恢复时间大幅减少；
最后，GaussDB云原生业界首创双check-point设计，计算节点故障从内存检查点恢复，只有计算节点和共享内存节点同时故障时，才从共享存储的检查点恢复WAL。
双check-point设计机制
高弹性
在弹性扩展方面，GaussDB采用计算-内存-存储三层池化解耦设计，支持分层独立弹性伸缩，对应用透明。计算层将全局锁和页面属主目录（POD，Page Owner Directory）等状态下沉至共享内存层，本地仅保留数据页面，计算层增删节点无需状态信息迁移，实现秒级弹性伸缩；共享内存层采用POD方式管理缓冲池页面属主关系，POD基于一致性Hash均匀分布在共享内存层，增删节点仅迁移少量Bucket，内存层秒级弹性，应用无感知。
分层弹性伸缩
论文总结
GaussDB云原生数据库，打造计算/内存/存储三层池化架构，实现多节点透明多写、分层弹性伸缩、秒级快速恢复、秒级节点扩展能力，为用户带来最大价值。GaussDB持续创新，打造新型竞争力，为世界提供更优选择。
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