隨著云計算和大數(shù)據(jù)時代的深入發(fā)展，企業(yè)對數(shù)據(jù)庫的性能、擴展性、可靠性和成本效益提出了前所未有的高要求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構，尤其是基于本地存儲的共享存儲架構，在應對海量數(shù)據(jù)、高并發(fā)訪問及彈性伸縮需求時，常常面臨瓶頸。阿里云推出的云原生數(shù)據(jù)庫PolarDB，通過創(chuàng)新的“計算與存儲分離”架構和自研的分布式共享存儲系統(tǒng)PolarFS，為這些挑戰(zhàn)提供了優(yōu)雅的解決方案。本文上篇將聚焦于PolarDB的整體數(shù)據(jù)處理流程及其底層核心——存儲支持服務PolarFS的實現(xiàn)機制。

一、PolarDB概述：云原生數(shù)據(jù)庫的架構革新

PolarDB是阿里云自主研發(fā)的云原生關系型數(shù)據(jù)庫，100%兼容MySQL、PostgreSQL和Oracle引擎。其最核心的創(chuàng)新在于采用了“計算與存儲分離”的架構。在此架構下：

• 計算層（數(shù)據(jù)庫引擎節(jié)點）：由多個讀寫節(jié)點（RW）和只讀節(jié)點（RO）組成，它們是無狀態(tài)的，主要負責SQL解析、優(yōu)化、執(zhí)行、事務處理等計算任務。計算節(jié)點可以根據(jù)業(yè)務負載動態(tài)彈性擴縮容。
• 存儲層：由一個跨多個物理服務器的、高性能的分布式共享存儲集群構成。所有計算節(jié)點都通過高速網(wǎng)絡（如RDMA）訪問同一份存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的強一致性和共享。
• 日志即數(shù)據(jù)（Log is Data）：PolarDB摒棄了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中將數(shù)據(jù)頁（Page）作為同步單元的模式，轉而將重做日志（Redo Log）作為主同步介質。存儲層直接接收并持久化來自主節(jié)點的Redo Log，并在后臺異步地將其應用（回放）到數(shù)據(jù)頁上。這極大地減少了主節(jié)點與存儲層之間、以及主從節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸量，降低了主節(jié)點的寫延遲和負載。

這種分離架構帶來了顯著優(yōu)勢：存儲容量可獨立、無縫擴展至百TB級別；計算節(jié)點快速彈性伸縮（分鐘級增加只讀實例）；存儲按實際使用量計費，成本更低；并通過多副本機制保障了數(shù)據(jù)的高可靠性與高可用性。

二、數(shù)據(jù)處理流程：從SQL到持久化存儲

在PolarDB中，一條寫事務（如INSERT/UPDATE）的生命周期清晰地體現(xiàn)了其架構優(yōu)勢：

1. SQL處理：主計算節(jié)點接收SQL請求，經(jīng)過解析、優(yōu)化后，在內存中執(zhí)行數(shù)據(jù)修改，生成對應的Redo Log記錄（描述數(shù)據(jù)的變化，而非數(shù)據(jù)頁本身）。
2. 日志下沉（Log Sink）：主節(jié)點不是將修改后的臟數(shù)據(jù)頁刷盤，而是將生成的Redo Log通過高效網(wǎng)絡協(xié)議批量、并行地發(fā)送到后端的PolarFS存儲集群。這個過程是同步的，確保日志持久化后事務才算提交成功，保證了持久性（Durability）。
3. 存儲層持久化與應用：PolarFS接收Redo Log，首先將其持久化寫入到多副本的日志存儲系統(tǒng)中。存儲層內部的“日志回放服務”會異步地將這些Redo Log應用到對應的數(shù)據(jù)頁上，生成新的數(shù)據(jù)頁版本。數(shù)據(jù)頁以“寫時復制（Copy-on-Write）”方式更新，舊版本得以保留，這天然支持了快速快照功能，是備份、克隆等操作的基礎。
4. 只讀節(jié)點數(shù)據(jù)同步：只讀節(jié)點（RO）不與存儲層進行復雜的數(shù)據(jù)頁同步。它們只需從存儲層（或主節(jié)點）獲取最新的Redo Log，并在本地內存中回放，即可獲得與主節(jié)點一致的數(shù)據(jù)視圖。這避免了從主節(jié)點復制大量數(shù)據(jù)頁帶來的網(wǎng)絡和I/O開銷，使得只讀節(jié)點的添加幾乎不影響主節(jié)點性能，實現(xiàn)了近乎線性的擴展。

三、核心基石：PolarFS分布式共享存儲系統(tǒng)

PolarFS是支撐PolarDB“計算與存儲分離”架構的自研高性能分布式文件系統(tǒng)，它是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)持久化基石。其設計目標是為數(shù)據(jù)庫負載提供極低延遲、高吞吐、強一致和高可用的塊存儲服務。

1. 架構設計

PolarFS采用分層架構：

• 客戶端（ChunkServer Client）：嵌入在每個數(shù)據(jù)庫計算節(jié)點中，以用戶態(tài)文件系統(tǒng)（FUSE）或內核模塊形式存在，提供標準的POSIX文件接口（如pwrite/pread）。它負責處理I/O請求的路由、緩存和協(xié)議編解碼。
• 元數(shù)據(jù)服務（ChunkMaster）：管理整個文件系統(tǒng)的命名空間、文件到數(shù)據(jù)塊（Chunk）的映射關系、以及數(shù)據(jù)塊副本的位置信息。它本身是高可用的集群。
• 數(shù)據(jù)存儲服務（ChunkServer）：負責實際數(shù)據(jù)塊（通常為幾十MB大小）的存儲。數(shù)據(jù)塊以多副本（通常為3副本）形式分布在不同的物理服務器上，通過Raft共識協(xié)議保證副本間的一致性。

2. 關鍵技術創(chuàng)新

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫所需的極致I/O性能，PolarFS集成了多項尖端技術：

• RDMA高速網(wǎng)絡：計算節(jié)點與存儲節(jié)點之間、存儲節(jié)點內部廣泛使用RDMA（遠程直接內存訪問）技術進行通信。RDMA允許數(shù)據(jù)繞過操作系統(tǒng)內核和CPU，直接從一臺機器的內存?zhèn)鬏數(shù)搅硪慌_機器的內存，大幅降低了網(wǎng)絡延遲和CPU開銷。這是實現(xiàn)低延遲同步寫日志的關鍵。
• 用戶態(tài)I/O棧（Bypass Kernel）：傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)I/O路徑需要經(jīng)過內核，存在上下文切換和內存拷貝的開銷。PolarFS的客戶端運行在用戶態(tài)，通過SPDK（存儲性能開發(fā)工具包）等技術直接訪問NVMe SSD等硬件，實現(xiàn)了從應用到存儲介質的“零拷貝”短路徑，顯著提升I/O效率。
• 并行復制與一致性協(xié)議優(yōu)化：針對數(shù)據(jù)庫寫日志的順序、小塊、高并發(fā)特點，PolarFS優(yōu)化了數(shù)據(jù)復制流程。它支持將小I/O合并后并行復制到多個副本，并利用RDMA進行流水線式傳輸，在保證強一致性的前提下，最大化寫吞吐量。
• 智能I/O調度與本地性感知：PolarFS能夠感知數(shù)據(jù)塊的分布，并智能地將I/O請求路由到最近的或負載最輕的副本。對于讀請求，尤其是只讀節(jié)點的讀，可以優(yōu)先從本地或同可用區(qū)的副本讀取，減少網(wǎng)絡延遲。

小結

阿里云PolarDB通過將“計算與存儲分離”與“日志即數(shù)據(jù)”理念深度融合，重構了云數(shù)據(jù)庫的架構范式。其上半部分——數(shù)據(jù)處理流程，高效地將數(shù)據(jù)庫計算與持久化存儲解耦；而下半部分——由PolarFS提供的共享存儲支持服務，則通過RDMA、用戶態(tài)I/O棧等前沿技術，為上述架構提供了堅實、高性能、彈性的存儲底盤。正是這兩者的協(xié)同創(chuàng)新，使得PolarDB能夠在提供企業(yè)級功能與兼容性的在彈性、擴展性、性價比上獲得突破性進展。在下篇中，我們將進一步深入分析PolarDB在高可用、彈性擴展、備份恢復等高級功能上的具體技術實現(xiàn)。