緩存數(shù)據(jù)庫底座哪家強(qiáng)？黑科技帶你翱翔

隨著技術(shù)的發(fā)展，緩存技術(shù)的大規(guī)模使用是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)IT技術(shù)最大的地方。通過合理利用緩存技術(shù)與緩存數(shù)據(jù)庫，可以幫助企業(yè)有效提升系統(tǒng)的性能、可用性與擴(kuò)展性，助力企業(yè)提供更加敏捷創(chuàng)新與穩(wěn)定安全的服務(wù)。

事實(shí)上，緩存技術(shù)與緩存數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用無所不在，與我們的生活息息相關(guān)。從金融、醫(yī)療到互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，小到我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用的各種購物網(wǎng)站、訂餐系統(tǒng)、購票系統(tǒng)、視頻/直播類app、行程碼/健康碼系統(tǒng)等等，可以說都與緩存技術(shù)密切相關(guān)。然而，企業(yè)在應(yīng)用緩存技術(shù)與緩存數(shù)據(jù)庫的過程中，通常會以傳統(tǒng)x86服務(wù)器集群為底座，卻常會面臨以下三大挑戰(zhàn)：

1 隨著緩存技術(shù)與緩存數(shù)據(jù)庫的廣泛應(yīng)用，集群中x86服務(wù)器的內(nèi)存和其他硬件故障概率也在增加

2 服務(wù)器內(nèi)存損壞故障發(fā)生時，恢復(fù)流程復(fù)雜，恢復(fù)時間冗長

3 隨著x86服務(wù)器數(shù)量不斷增長，架構(gòu)越來越復(fù)雜，管理難度不斷增加

那么，在傳統(tǒng)的x86服務(wù)器集群架構(gòu)之外，是否有其他更好的平臺架構(gòu)可以解決上述的三大挑戰(zhàn)呢？答案是肯定的。實(shí)際上，越來越多的客戶已經(jīng)開始通過具備更高整合效率、更高主頻、更大緩存、以及更佳內(nèi)存可靠性的底層架構(gòu)來支撐緩存數(shù)據(jù)庫，打造高性能、高可用、易管理的緩存數(shù)據(jù)庫底座，讓業(yè)務(wù)插上黑科技的翅膀，騰飛翱翔。

主流的緩存數(shù)據(jù)庫有哪些？

緩存是一種通用的設(shè)計模式：這種模式一般利用增加存儲空間的方式，實(shí)現(xiàn)低速部件與高速部件之間的解耦。也就是說，實(shí)現(xiàn)了解耦的地方就有存在緩存的可能，既然解耦是計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中最常用的手段，那么緩存就必將在IT系統(tǒng)和架構(gòu)中無處不在，如CPU內(nèi)部緩存，客戶端瀏覽器緩存，Web服務(wù)器緩存，應(yīng)用程序緩存，數(shù)據(jù)庫緩存等。

在各種普遍使用的緩存技術(shù)中，基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的NoSQL分布式緩存技術(shù)在目前的緩存數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中最為典型的就是Memcached和Redis這兩種高性能分布式內(nèi)存緩存數(shù)據(jù)庫，一般用來緩存訪問的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，減輕物理數(shù)據(jù)庫壓力和負(fù)載。

Memcached是一個開源、高性能、將數(shù)據(jù)分布于內(nèi)存中并使用key-value存儲結(jié)構(gòu)的緩存系統(tǒng)。它通過在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)來減少向數(shù)據(jù)庫的頻繁訪問連接的次數(shù)，可以提高動態(tài)、數(shù)據(jù)庫驅(qū)動之類網(wǎng)站的運(yùn)行速度。

Memcached基于內(nèi)存的key-value存儲，用來存儲小塊的任意數(shù)據(jù)（字符串、對象）。這些數(shù)據(jù)可以是數(shù)據(jù)庫調(diào)用、API調(diào)用或者是頁面渲染的結(jié)果。一般的使用目的是，通過緩存數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果，減少數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù)，以提高動態(tài)Web應(yīng)用的速度、提高可擴(kuò)展性。

和Memcached不同的是，Redis支持存儲的value類型相對更多，包括string(字符串)、list(鏈表)、set(集合)和zset(有序集合)。這些數(shù)據(jù)類型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更豐富的操作，而且這些操作都是原子性的。

在此基礎(chǔ)上，Redis支持各種不同方式的排序。與Memcached一樣，為了保證效率，數(shù)據(jù)都是緩存在內(nèi)存中。區(qū)別的是Redis會周期性的使用RDB快照的方式，把更新的數(shù)據(jù)寫入磁盤或者使用類似MySQL的AOF日志方式把修改操作寫入追加的記錄文件，并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了master-slave(主從)同步。Redis支持將數(shù)據(jù)同步到多臺從數(shù)據(jù)庫上，這種特性對提高讀取性能非常有益。

實(shí)際案例：

緩存數(shù)據(jù)庫底層架構(gòu)深度剖析

通常情況下，客戶大部分的分布式緩存系統(tǒng)都基于x86服務(wù)器打造，也取得了性能等方面的明顯改進(jìn)，但同時也存在一些問題，比如x86節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性問題，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延導(dǎo)致的數(shù)據(jù)一致性問題，x86節(jié)點(diǎn)過多導(dǎo)致的管理問題等。

不管是Memcached還是Redis，都需要一個性能更高，更穩(wěn)定的硬件平臺來支撐。通過對LinuxONE平臺的特性研究可以發(fā)現(xiàn)，在特定場景下，LinuxONE平臺特有的高主頻，高密度和高可靠性可以解決很多在x86架構(gòu)上構(gòu)建分布式緩存集群過程中遇到的這些問題。

以某客戶的Memcached集群方案為例，客戶在x86平臺上的某應(yīng)用解決方案如下圖所示：

其中，4套Memcached，每套10臺機(jī)器10T內(nèi)存，定期做Dump（大約8T），用于恢復(fù)。

客戶遇到的問題如下：

1 約10T的緩存數(shù)據(jù)庫，x86服務(wù)器集群平均每月會出現(xiàn)內(nèi)存故障一次

2 恢復(fù)流程麻煩：如果單臺服務(wù)器內(nèi)存損壞故障，同中心3.5小時恢復(fù)，他中心5小時恢復(fù)

3 整個硬件環(huán)境復(fù)雜，管理復(fù)雜度高

對應(yīng)地，IBM LinuxONE部署方案如下圖所示：

每臺LinuxONE的部署方式如下：

通過對比測試發(fā)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)同樣性能的前提下，LinuxONE平臺具備如下優(yōu)勢：

1 整合效率：一臺LinuxONE整合一個數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵x86服務(wù)器和高端Unix服務(wù)器，使用兩臺即可實(shí)現(xiàn)原先需要幾十臺x86+高端Unix服務(wù)器的集群搭建，極大地降低了系統(tǒng)復(fù)雜度及維護(hù)難度

2 高性能：LinuxONE的高主頻（5.2GHz）大緩存（超過11GB）可確保單個節(jié)點(diǎn)的高處理能力和性能

3 LinuxONE平臺內(nèi)存特有的RAIM高可用技術(shù)可以避免內(nèi)存故障導(dǎo)致的內(nèi)存庫恢復(fù)，極大地提升系統(tǒng)可用性

4 LinuxONE獨(dú)有的內(nèi)存通訊技術(shù)可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低通訊時延，提升集群數(shù)據(jù)一致性

5 LinuxONE平臺高達(dá)99.9999%的可用性可以確保系統(tǒng)可用性，同時降低維護(hù)復(fù)雜度

注：LinuxONE內(nèi)存高可用技術(shù)RAIM全稱為Redundant Array of Independent Memory，與RAID冗余磁盤陣列設(shè)計原理相同，每個CPU芯片上的內(nèi)存控制器（MCU）控制5根內(nèi)存DIMM，其中1根作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)，可避免單一內(nèi)存條發(fā)生故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法運(yùn)作。

RAIM內(nèi)存高可用技術(shù)示意圖

不僅是Memcached，LinuxONE平臺在Redis這樣的緩存數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用場景中同樣具備這些優(yōu)勢。可以說LinuxONE和緩存數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，是緩存數(shù)據(jù)庫追求最高可用性和一致性的黃金組合。其“以一敵百”的數(shù)據(jù)中心整合效率和眾多黑科技帶來的優(yōu)勢，讓LinuxONE成為緩存數(shù)據(jù)庫的最佳底座，幫助企業(yè)提供更加敏捷創(chuàng)新與穩(wěn)定安全的高性能服務(wù)。

LinuxONE黑科技詳解

LinuxONE是IBM推出的以傳統(tǒng)“零宕機(jī)”硬件為基礎(chǔ)的企業(yè)級開放Linux服務(wù)器。在硬件層面，提供了非常強(qiáng)大的底層支撐平臺，從而在“相同的簡單易用”基礎(chǔ)之上，可以帶給客戶“與眾不同的能力和體驗(yàn)”。

LinuxONE的強(qiáng)大能力，可以用“3高6黑”簡單概括，3高是指LinuxONE超越任何其它平臺的3種超高能力，即“高性能、高可靠和高密度”。

高性能是因?yàn)長inuxONE配置了所有商用服務(wù)器里最高的5.2GHz主頻的處理器以及總量超過11GB的4級大緩存，再加上高達(dá)192個的IO插槽從而為客戶提供最為強(qiáng)大的計算和IO處理的能力。

在高可靠方面，LinuxONE提供了N+1的全冗余體系架構(gòu)，這里面涵蓋了CPU，內(nèi)存，IO、電源、風(fēng)扇、控制臺等等，從而使得LinuxONE單機(jī)就可達(dá)到6個9的可靠性。而內(nèi)存數(shù)據(jù)庫對于內(nèi)存的可靠性要求尤為重要，LinuxONE作為業(yè)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)內(nèi)存全冗余架構(gòu)的硬件平臺，通過RAIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存芯片及內(nèi)存條間的雙重高可用，從而保證無論是內(nèi)存芯片故障或者內(nèi)存條故障，均不會影響內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定運(yùn)行。

在高密度方面，LinuxONE除了具備強(qiáng)大的縱向擴(kuò)展能力，橫向方面單機(jī)可支持85個邏輯分區(qū)，超過8000個的虛機(jī)，以及2百萬個容器，從而可以用以一頂百的方式實(shí)現(xiàn)高密度的集約化部署。

而“3高6黑”里的6黑是指LinuxONE所配備的6種黑科技，這更多的是針對企業(yè)級計算里面涉及到的很多非常集中的需求，比如數(shù)據(jù)的壓縮排序和加解密的需求，以及虛擬化環(huán)境各種應(yīng)用負(fù)載或虛擬服務(wù)器之間的通訊，隔離，時鐘同步的需求。

LinuxONE在硬件層面做了很多針對性的優(yōu)化，從而使得這些高頻需求的處理效率或者安全性可以得到大幅的提升。比如LinuxONE的芯片壓縮支持高達(dá)260GB/s的超大規(guī)模吞吐能力，可以幫助客戶節(jié)省大量存儲空間，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，縮短數(shù)據(jù)傳輸時間等等。

時鐘同步方面，我們可以確保同一設(shè)備內(nèi)的所有分區(qū)和虛機(jī)的精準(zhǔn)同步，以及在跨多臺設(shè)備的集群同步方面達(dá)到微秒級的精度，這對于分布式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫集群會有很大的作用，因?yàn)榉植际絻?nèi)存數(shù)據(jù)庫對于節(jié)點(diǎn)間的時間同步往往有著苛刻的要求。

LinuxONE的第六大黑科技是基于內(nèi)存的通信技術(shù)SMC-D/SMC-R。在分布式架構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間會有大量的數(shù)據(jù)交互，節(jié)點(diǎn)越多，負(fù)載越高，大量數(shù)據(jù)的交互帶來的網(wǎng)絡(luò)開銷、CPU開銷越明顯，甚至有可能還會影響網(wǎng)絡(luò)的可靠性和應(yīng)用的效率。LinuxONE基于內(nèi)存高速通信技術(shù)是基于(R)DMA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，對應(yīng)用透明，提供更快的通信，與使用普通網(wǎng)卡相比，流工作負(fù)載的吞吐量提高20倍，CPU消耗減少85％以上，響應(yīng)時間縮短95％；交互式工作負(fù)載的吞吐量最多提高16倍，與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的CPU消耗最多降低40％，響應(yīng)時間最多縮短94％。

LinuxONE是業(yè)內(nèi)唯一全冗余智能容錯架構(gòu)服務(wù)器，單機(jī)就能實(shí)現(xiàn)硬件層面的全冗余，LinuxONE平均硬件無宕機(jī)時間超過40年，是業(yè)內(nèi)最穩(wěn)定的服務(wù)器，足以承載數(shù)據(jù)庫計算節(jié)點(diǎn)的可用性需求。LinuxONE具備商用服務(wù)器最高等級EAL5+的安全技術(shù)認(rèn)證，確保LPAR的隔離性和安全性。節(jié)點(diǎn)間通過SMC-D高速內(nèi)存虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，低延時，高吞吐，更穩(wěn)定。