影响数据库性能的三要素

对于数据库系统而言,绝大多数情况下影响数据库性能的三个要素是:数据运算能力、数据读写时延和数据吞吐带宽,简称计算、时延、吞吐。计算指的是CPU的运算能力,时延是数据从存储介质跑到CPU所需的时间长短,吞吐则是数据从存储介质到CPU的道路宽度。一般情况下,关注计算和时延是比较多的,但是在数据量越来越多的情况下,吞吐也成为影响数据库性能的重要因素。如果吞吐带宽不够,会造成计算等待队列的增加,CPU占用率虚高不下。这种情况下,即使增加再多的计算资源也于事无补,相当于千军万马挤独木桥,马再好也是枉然。一个高性能的数据库平台,一定是计算、时延、吞吐三方面的能力齐头并进,相互匹配。

计算能力由CPU主频和核数决定,实践中看CPU占用率就能够大致确定CPU配置是否合适。时延的指标很简单,时间是衡量时延的唯一指标。吞吐量则是通过每秒在I/O流中传输的数据总量来衡量的。

从三要素到三方法

 明确了影响性能的要素后,就可以着手改变各要素来提升数据库平台的性能。

    1.计算能力:x86化的今天,提升计算能力就是:增加CPU内核数量或升级CPU主频。

    2.时延能力:加快数据从存储介质到CPU的速度,即提升数据读写时延,从以下三方面努力:

    a)降低存储介质的读写时延:使用电子寻址的Flash颗粒来替换旋转的机械磁头,是降低存储介质读写时延最有效的方法。实践中可结合数据吞吐量来确定是选择SAS总线上的SSD盘还是选择PCIE总线上的Flash卡。

    b)降低网络的传送时延:网络时延则可以通过InfiniBand网络来解决,注意不要选择IPoIB,而是要使用RDS,相比传统UDP协议,网络延迟至少减一半。通过SRP协议,利用RDMA技术在网络层面传送SCSI指令和数据,使得数据库节点能够像操作本地SCSI设备一样读写远程的数据,对于时延的降低,不是FC网络能够企及的。

    c)扩大存储层的数据缓存大小:存储层的数据缓存大小对时延也至关重要,如果有尽可能多的数据读写在缓存中进行,就避免了数据下盘。缓存的大小以及缓存算法都对缓存命中率有直接的影响,这一点往往被忽略。除了单点缓存之外,分布式缓存技术也是非常重要的,通过分布式缓存技术,可以避免单点缓存的局限性,扩大缓存的全局能力,增加缓存规模,提高缓存命中率。

3.吞吐能力:拓宽数据通路的方法有两种:使用高速InfiniBand网络、使用分布式存储。前者比较容易想到,实施也简单,基于FDR 的56Gb/s InfiniBand解决方案可实现每秒1.37亿条消息的信息通信速率,在16个计算节点上,性能表现比QDR 40Gb/s InfiniBand高出20%-30%,而与FC、万兆和4万兆以太网相比,性能更是领先了100%到300%,是最高效的计算和存储互联方案。对于后者,分布式存储,其好处在于不将数据集中存放在某几块存储介质上,而是将数据全部打散存放在多个存储节点的许多个介质上,这样避免在大规模数据并发读写访问时,存储介质的单点能力成为数据读写的瓶颈,通过分布式的并发能力来提升数据读写吞吐能力。注意的是,一定要使用高性能低时延的分布式块存储,分布式文件存储是无法满足性能要求的。

 通过计算、时延、吞吐的三管齐下,通过使用SSD存储介质、InfiniBand网络交换以及分布式存储,数据库平台的性能将得到极大提升。

    未来为是何种模样

    高性能数据库系统未来向着内存化、云化的方向在不断发展。SAP的HANA内存数据库,Oracle 12c的内存特性,GemFire的分布式内存数据缓存,以及Spark的内存并行计算,都在昭示着内存化的未来方向,其本质还是通过内存的高速读写与高速总线来解决时延和吞吐问题。

    数据库的云化,即DBaaS(数据库即服务),其核心就是整合IT基础设施中的硬软件,实现简单化、标准化和灵活性,提升可用性以及安全保障,同时降低成本。当然,云化在性能和QoS方面也对IT基础设施提出了更多增强性的挑战。