什么是严格强一致性集群SCC服务_云原生数据库 PolarDB(PolarDB)-阿里云帮助中心

PolarDB MySQL版通过数据库内核与RDMA网络的深度融合，提供全局一致性（高性能模式），简称SCC。在保证全局数据一致性的前提下，实现高性能数据读写。与最终一致性方案相比，开启全局一致性（高性能模式）后集群性能损失保持在10%以内。本文将详细介绍全局一致性（高性能模式）的使用限制、技术原理、开启方式以及性能测试结果对比。

版本要求

若要开启全局一致性（高性能模式），PolarDB MySQL版企业版集群需为以下版本之一：

8.0.2版本且内核小版本需为8.0.2.2.19及以上。
8.0.1版本且内核小版本需为8.0.1.1.29及以上。
5.7版本且内核小版本需为5.7.1.0.26及以上。

说明

如何确认集群版本，请参见查询版本号。

注意事项

Serverless集群的所有只读节点默认开启全局一致性（高性能模式）。
全球数据库网络GDN中的从集群的只读节点不支持开启全局一致性（高性能模式）。
全局一致性（高性能模式）与Fast Query Cache功能兼容。若此前全局一致性（高性能模式）打开了分层的细粒度的修改跟踪（MTT）优化功能。当同时开启Fast Query Cache功能和全局一致性（高性能模式）功能时，全局一致性（高性能模式）的MTT优化功能将失效。

全局一致性（高性能模式）技术方案

PolarDB MySQL版全局一致性（高性能模式）是以PolarTrans为基础，这是一套全新设计的基于时间戳的事务系统，旨在重构原生MySQL中基于活跃事务数组的传统事务管理方式。该系统不仅支持分布式事务的扩展，更显著提升了单机的性能表现。

PolarDB全局一致性（高性能模式）的具体实现如下图所示，利用高速RDMA网络构建交互式多维度主从信息同步机制，取代了传统的主从日志复制架构，并通过线性Lamport时间戳算法，减少RO节点获取时间戳的次数，同时避免了不必要的日志回放等待。

线性Lamport时间戳：为了优化读操作（RO）节点获取最新修改时间戳的效率，我们引入了线性Lamport时间戳机制。传统方法中，RO节点需要在处理每个请求时都从写操作（RW）节点获取时间戳，即使网络速度很快，在高负载情况下也会产生显著开销。线性Lamport时间戳的优势在于，RO节点可以将从RW节点获取的时间戳存储在本地。对于早于本地存储的时间戳的请求，RO节点可以直接使用本地时间戳，无需再次向RW节点获取。这种机制有效减少了高负载下频繁获取时间戳的开销，提高了RO节点的性能。
分层的细粒度的修改跟踪：为了优化读操作（RO）的性能，RW引入了多级时间戳机制：全局、表级和页面级。当RO处理请求时，首先会获取全局时间戳。如果全局时间戳小于RO回放日志的时间戳，RO不会立即进入等待状态，而是会继续检查请求访问的表和页面时间戳。只有当访问的页面时间戳仍然不满足时，RO才会等待日志回放完成。这种机制可以有效避免一些不必要的日志回放等待，提高RO的响应速度。
基于RDMA的日志传输：PolarDB全局一致性（高性能模式）采用了单边RDMA的接口来实现RW到RO的日志传输，极大地提高了日志传输速度，同时减少了日志传输时带来的CPU开销。

线性Lamport时间戳

为了降低读请求的延迟和带宽消耗，RO节点可以利用线性Lamport时间戳机制。当一个请求到达RO节点时，如果发现其他请求已经从RW节点获取了时间戳，它可以直接重用该时间戳，从而避免重复请求，保证强一致性的同时提升性能。

上图中一个RO上有两个并发的读请求r₁和r₂。r₂在t₂时向RW发送读取时间戳的请求，在t₃时刻拿到了RW的时间戳TS³_rw。我们可以得到这几个事件的关系：e₂TS³_rwe₃。r₁在t₁时刻到达。通过在RO给每个事件分配一个时间戳，可以确定同一个RO上不同事件的先后关系。如果t₁在t₂之前，我们可以得到e₁e₂TS³_rwe₃。也就是说r₂拿到的时间戳，其实已经反映了r₁到达之前的所有更新，所以r₁可以直接使用r₂的时间戳，而不必去拿新的时间戳。基于这个原则，RO每次拿到RW的时间戳时，都会把这个时间戳保存在本地，并且会记录获取到该时间戳的时间，如果某个请求的到达时间早于本地缓存时间戳的获取时间，则该请求可以直接使用该时间戳。

分层的细粒度的修改跟踪

为了实现强一致读，RO需要首先获取RW当前事务的最新提交时间戳，并等待RO上的日志回放到该时间戳才能处理读请求。然而，在等待日志回放期间，当前请求的数据可能已经是最新的，无需等待。为了避免不必要的等待时间。PolarDB全局一致性（高性能模式）采用了更加细粒度的修改追踪。在RW上维护三层修改信息：全局的最新修改的时间戳，表级的时间戳和页面（page）级别的时间戳。

在处理读请求时，RO首先获取全局时间戳，以判断数据一致性。如果全局时间戳不满足条件，RO会进一步获取目标表的本地时间戳，进行更细粒度的校验。如果仍不满足，RO会继续检查目标页面的时间戳，进行更精确的判断。只有当页面时间戳仍然大于RO日志回放时间戳时，RO才需要等待日志回放，以确保读取到最新的数据。

在RW上，为了降低内存消耗，三种层级的时间戳都保存在内存哈希表中。为了进一步优化内存使用，多个表或页的时间戳可能被映射到同一个哈希表位置。为了保证一致性，仅允许较大的时间戳替换较小的。这种设计确保即使RO获取到较大的时间戳也不会破坏一致性。具体实现如图所示，TID和PID分别表示表和页的ID。RO获取到的时间戳会按照线性Lamport时间戳的设计缓存到本地，方便其他符合条件的请求使用。

基于RDMA的日志传输

在PolarDB全局一致性（高性能模式）中。RW通过单边RDMA的方式远程将日志写入到RO缓存，该过程不需要RO的CPU参与，同时延迟也很低。具体实现如下图所示，RO和RW都维护了相同大小的log buffer。RW的后台线程会将RW的log buffer通过RDMA写入到RO的log buffer，RO通过读取本地log buffer替代读取文件, 加快复制同步效率。

说明

如需了解RDMA日志传输的更多说明，请参见RDMA日志传输。

如何开启全局一致性（高性能模式）

登录PolarDB控制台，在目标集群的基本信息页面的数据库连接区域，选中需要开启全局一致性（高性能模式）功能的连接地址，单击配置。详细操作步骤请参见配置数据库代理。

说明

全局一致性（高性能模式）需要在集群中所有地址同时生效，如果在某个地址开启全局一致性（高性能模式），则集群其他所有地址都会开启全局一致性（高性能模式）。

性能对比

测试环境
一个规格为8核32 GB的PolarDB MySQL版8.0版本集群版。
测试工具
Sysbench
测试数据量
25张表，每张表250000行数据。
测试结果及说明
- 全局一致性（高性能模式）集群混合读写性能对比
  图表说明：
  - 纵坐标qps：表示sysbench测试结果。
  - 横坐标threads：表示测试时使用的sysbench并发线程数。
  - RW：表示假设RO无法提供全局一致性读，所有的读写请求均发往RW节点。
  - 全局一致性：表示由代理提供的全局一致性功能。
  - 全局一致性（高性能模式）：表示打开内核提供的全局一致性（高性能模式）代理设置最终一致性。
  - 最终一致性：表示代理设置为最终一致性读，并且关闭内核提供的全局一致性（高性能模式）。
  在sysbench oltp_read_write场景中，全局一致性（高性能模式）相比较于最终一致性，集群整体性能损耗控制在10%以内。