白帆

摘 要 數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展是分布式存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)，本文對(duì)sharding技術(shù)的適用環(huán)境進(jìn)行了研究，介紹了一種基于存儲(chǔ)分片技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)擴(kuò)展能力的提升方法。

關(guān)鍵詞 分布式 存儲(chǔ) 分片 擴(kuò)展

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

如何提升數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展能力一直是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的核心問(wèn)題，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)擴(kuò)展能力顯示出不適應(yīng)的情況，暴露出一些不足之處，本文結(jié)合sharding碎片技術(shù)，對(duì)該技術(shù)適合的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析研究，提出了一種存儲(chǔ)分片擴(kuò)展的新方案，改進(jìn)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理，提升擴(kuò)展能力。

1 分片技術(shù)介紹

1.1 sharding 的定義

shard即“碎片”，sharding也稱作數(shù)據(jù)切分或分區(qū)。是指通過(guò)某種條件，把同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)或多臺(tái)機(jī)器上，以減小單臺(tái)機(jī)器壓力。

1.2 常見(jiàn)的sharding切分算法

hash切分

hash放置是以每條數(shù)據(jù)的一個(gè)域或者多個(gè)域（一般都選擇主鍵或者unique鍵）作為劃分鍵K，假設(shè)總共的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N （1-N）， 那么數(shù)據(jù)被分配到的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為：

n = hash（k） mod N

hash劃分實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只要所采用的哈希函數(shù)能把值算的足夠均勻，那么數(shù)據(jù)將會(huì)很均勻的被切分到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且?guī)缀醪恍枰獢?shù)據(jù)就可以進(jìn)行查詢的路由。但是，hash切分也存在很明顯的兩個(gè)缺點(diǎn)：

（1）實(shí)用性較差，由于劃分鍵的值被hash化，生成一個(gè)與輸入分布無(wú)關(guān)、輸出均勻的值，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)之間并沒(méi)有什么邏輯相關(guān)性，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集中性差，這樣不能高效的支持一些具有范圍性或分類(lèi)性的服務(wù)，比如區(qū)域性服務(wù)、以時(shí)間范圍為約束的服務(wù)等。

（2）擴(kuò)展能力差 ，由于最終位置n是依賴N（節(jié)點(diǎn)總數(shù)）的值，因此一旦N發(fā)生變化，將導(dǎo)致n的數(shù)值變化，也就是說(shuō)一旦加入新的機(jī)器，老節(jié)點(diǎn)里的數(shù)據(jù)可能大部分都要進(jìn)行遷移，這樣的開(kāi)銷(xiāo)太大。

2 分片存儲(chǔ)的新方案

區(qū)間劃分（Range-based Partitioning）首先會(huì)把數(shù)據(jù)按某種數(shù)值（時(shí)間，區(qū)域等）分為多個(gè)區(qū)間，然后再將這些區(qū)間分配到系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上面。最簡(jiǎn)單的區(qū)間劃分是一個(gè)節(jié)點(diǎn)只持有一個(gè)區(qū)間，在有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，將劃分鍵的取值區(qū)間均勻劃分（這里的均勻是指劃分后的每個(gè)partition的數(shù)據(jù)量盡可能一樣大，而并非值域區(qū)間一樣大）為n份，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)持有一塊。

例如，按照用戶名稱首字母進(jìn)行劃分，可能有以下的劃分方案：如圖-1所示，總共有4個(gè)shard。

用戶名稱首字母在[a-d）的會(huì)被分配到shard1節(jié)點(diǎn)

用戶名稱首字母在[d-h）的會(huì)被分配到shard2節(jié)點(diǎn)

用戶名稱首字母在[h-t）的會(huì)被分配到shard3節(jié)點(diǎn)

用戶名稱首字母在[t-z）的會(huì)被分配到shard4節(jié)點(diǎn)

-1 sharding區(qū)間劃分圖片

綜上所述，區(qū)間分布比hash分布在處理分布式、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理時(shí)具備一定的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

（1）提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性，可以隨著應(yīng)用的增長(zhǎng)來(lái)增加更多的服務(wù)器滿足應(yīng)用需求，只需要將新增加的數(shù)據(jù)以及負(fù)載放到新加的服務(wù)器上即可。

（2）提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的可用性。因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是相獨(dú)立的，所以如果其中幾個(gè)shard服務(wù)器down掉之后，并不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外停止服務(wù)。

（3）系統(tǒng)有更好的可管理性。對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)和配置可以按照shard一個(gè)一個(gè)來(lái)做，并不會(huì)對(duì)服務(wù)產(chǎn)生大的影響。

直接hash劃分使用價(jià)值不高，區(qū)間劃分則可以得到很廣泛運(yùn)用，有很好的分片擴(kuò)展性，大大降低了對(duì)系統(tǒng)的性能消耗。

3結(jié)束語(yǔ)

使用區(qū)間分片擴(kuò)展解決的hash分片擴(kuò)展的弊端，使得各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能相對(duì)均勻的遷移到新的節(jié)點(diǎn)上面，大大提高了I/O效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在工作實(shí)踐中，我們可以適當(dāng)根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況來(lái)對(duì)區(qū)間分布進(jìn)行人為的干擾和定制，這樣數(shù)據(jù)的分布和遷移能得到更好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦秀磊，張文博，魏峻，王偉，鐘華，黃濤.云計(jì)算環(huán)境下分布式緩存技術(shù)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].軟件學(xué)報(bào)，2013.1.

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