BeyondtheCache——阿里云Tair云內存數(shù)據庫場景解讀

一、Tair背景介紹

（一）什么是阿里云Tair云原生內存數(shù)據庫

阿里云Tair云原生內存數(shù)據庫線上名字為阿里云數(shù)據庫Redis企業(yè)版（又稱阿里云Tair），從2009年開始正式承載集團業(yè)務，是一款歷經磨練的企業(yè)級產品。它完全兼容Redis的數(shù)據結構和通訊協(xié)議，包括API接口，并且在內部逐步打磨的過程中，基于Tair研發(fā)云上托管云內存數(shù)據庫。

如上圖所示，Tair產品分為三個類型，從性能到性價比有不同的產品排布，下面用1.0X表示開源的Redis的性能與價格，從性能和價格上與三個類型的Tair產品進行對比。

1. Tair性能增強型

   性能約為開源Redis的兩倍，支持多種常見數(shù)據結構，在天貓/淘寶/高德/優(yōu)酷中大規(guī)模使用，并擁有任意時間點恢復/全球分布式/熱點散列等特性。
   

   
   

2. Tair持久內存型

   基于Intel傲騰持久內存做的數(shù)據庫，后文會重點闡述其特點。

   
   

3. Tair容量存儲型

   直接對標社區(qū)Pika等開源存儲型Redis產品。然后因為我們會用阿里云的高效的高效云盤，所以說整個的功能和性能都會比Pika強很多。

如上圖所示，從內存存儲方面，Tair三個類型的產品適應不同的場景。

• Tair性能增強型

1）數(shù)據讀寫頻繁，要求低延遲，支持大連接；

2）成本相對不敏感，以滿足業(yè)務性能需求為主。

• Tair持久內存型

1）數(shù)據讀寫較頻繁，延遲要求可稍微放寬，存儲數(shù)據量有一定較大容量要求；

2）成本控制較之熱數(shù)據要求更高。

• Tair容量存儲型

1）數(shù)據讀寫密集程度低，延遲要求不高，整體存儲容量要求高；

2）成本是最大考量因素。

（二）阿里云Tair面向業(yè)務的數(shù)據結構讓業(yè)務創(chuàng)新更容易

在業(yè)務方面，阿里云Tair與基于傳統(tǒng)Redis存在許多不一樣的地方，阿里云Tair業(yè)務結構如下所示。

除此之外，阿里云Tair有以下優(yōu)點：

1）高性能

性能增強型，流量上漲淡然處之，性能是開源Redis的2倍。

2）持久化

持久內存型，數(shù)據可靠，方便業(yè)務使用，不再擔心數(shù)據丟失。（RPO=0）

3）低成本

多種存儲介質，選擇最優(yōu)性價比，性價比高于ECS自建。

4）豐富數(shù)據模型

在社區(qū)Redis上提供了更多面向應用的數(shù)據結構，應用開發(fā)更簡便。

5）企業(yè)級能力

全球多活，數(shù)據閃回，混合多云（熱點散列）。

（三）阿里云Tair歷史

上圖為Tair的發(fā)展歷史。從Tair1.0開始，團隊就孵化出了云Redis社區(qū)版和云Memcache，這是線上社區(qū)托管的兩個版本。

在Tair1.0的時候，就會整個孵化出來，2.0逐步上云，3.0會孵化出來一款叫GDB的產品，是一款線上的圖數(shù)據庫。

再往下是Tair（Redis企業(yè)版/Tair 3.0），集團和云上是同一個版本，有很多種形態(tài)來支持用戶在各種業(yè)務場景下的需求。

二、Tair功能介紹

（一）做一個不丟數(shù)據的內存數(shù)據庫—Tair持久內存型

我們希望做一個不丟數(shù)據的數(shù)據庫，做法是通過新硬件和新軟件來進行。

1.新硬件

• 引入英特爾? 傲騰? 數(shù)據中心級持久內存；

• 與DRAM內存相近的性能表現(xiàn)，而且其大容量和非易失性的特性還可幫助系統(tǒng)獲得更優(yōu)的可用性；

• 它相比于DRAM內存的成本和容量優(yōu)勢，也可幫助客戶有效地降低總擁有成本。

上圖為存儲介質圖，速度延遲從上到下逐步增大，相反，容量逐步減少，成本逐步降低。Storage Class Memory處于中間，性價比較高。

2.新軟件

• 模式選擇

新軟件的開發(fā)模式方案有兩種，分別是內存模式（Memory Mode）與應用程序直接訪問模式（App Direct Mode）。

在內存模式下，應用和OS將其視為易失性內存池，雖對應用透明，但掉電即失，因此不采用。

在應用程序直接訪問模式下，持久內存和 DRAM充當獨立內存資源，通過構建符合Redis協(xié)議和數(shù)據結構的軟件利用兩塊存儲資源構建兼容Redis、具備命令級持久化能力的內存數(shù)據庫。

• 全新的挑戰(zhàn)

我們選擇重新寫兼容Redis的東西，而不是在Redis基礎上進行更改，是因為新軟件有著全新的挑戰(zhàn)：

1）替代原有的內存分配器，同時要保證內存分配器元數(shù)據的持久化；

2）Redis數(shù)據結構與索引的持久化要保持一致性；

3）持久內存和易失內存如何協(xié)同工作，讓整個數(shù)據庫高性能工作，同時還具備強大的持久化能力。

3．產品化能力

上文結合軟硬件的能力闡述了如何去構建持久化內存的形態(tài)，下面可以看一下所帶來的成果。

• 消除aofrewrite與fsync的無Fork設計，服務更順滑，P95延時較之內存版Redis更低更穩(wěn)定；

• 讀寫性能吞吐為內存版Redis的90%以上。

• 原生命令級持久化能力，操作寫入即持久化；

• 緩存主存合一成為可能，成本更低，架構更優(yōu)雅。

4.應用場景

應用場景主要分為如下兩種。

場景一：大數(shù)據量、高性能、成本的綜合選型考慮

• 機器學習平臺、推薦系統(tǒng)等計算數(shù)據對性能和容量的要求很高；

• 全內存又使得成本壓力巨大；

• 可采用Tair持久內存型以有效降低成本，并能夠保持高性能運行；

• 同時用戶也無需為降本而綜合使用其他數(shù)據存儲，有效地平衡了系統(tǒng)復雜度與成本。

場景二：用作持久化數(shù)據存儲

• 游戲、直播、數(shù)據分析中大數(shù)據結果集對外提供查詢服務等場景可以使用；

• 可采用Tair持久內存型作為數(shù)據最終的存儲；

• 對比緩存+主存的兩層架構，數(shù)據同樣可靠；

• 性價比更高，代碼更簡化，架構更優(yōu)雅。

（二）做一個具備時光機能力的數(shù)據庫--數(shù)據閃回

我們希望這個內存數(shù)據庫具備有時光機能力。時光機能力表示可以將數(shù)據恢復到過去指定的任何時間點，也稱為數(shù)據閃回，它有如下兩大特點：

• 七天內任意時間點的數(shù)據恢復

1）Backup/Restore的終極形態(tài)

2）支持按秒級的數(shù)據恢復（可支持到按條）

3）防止刪庫跑路場景

4）Clone & Switching：隨時回切

• 根據按照指定Key或者Key Glob Pattern進行原地數(shù)據部分恢復

1）靈活應對部分數(shù)據異常

2）其余未指定數(shù)據不變化

3）游戲數(shù)據回檔實現(xiàn)

（三）做一個全球多地寫入的數(shù)據庫--全球多活

1.基本概念

我們希望數(shù)據庫能夠多地寫入，把多地的內存數(shù)據庫進行多活操作，用戶可以在多地訪問與寫入，我們幫用戶做數(shù)據按序同步。

2. 三地六向同步

• 全區(qū)全服同時在線，解決漫游（roaming）和DNS漂移問題。

• 數(shù)據本地訪問（locally data access）的流暢性。

• 單元化：獨立部署，區(qū)域容災，按需調度。

• 數(shù)據的高可靠和性能提升。

3. 低時延SLA保障

• 推送模式（Push），Latency= T1 (binlog落盤時延)+ T2 (Replicator發(fā)現(xiàn)時延) + T3 (Apply時延)

1）整體看，T1 + T2 穩(wěn)定在10ms，最差100ms；T3基本上時延是網絡RTT。

2）忙時下不敏感，replicator具備獨立的資源，點到點同步通道帶寬穩(wěn)定。

• 適合寫入量大，對平均時延要求高的客戶。

• 目前全球分布式緩存只能做3地6向。

• 適合跨域多活及單元化業(yè)務（阿里內部經驗）。

• Tair全球同步時延測試白皮書：

https://help.aliyun.com/document_detail/199010.html

4. Session場景

Session的容災至關重要

• 隨著業(yè)務擴展，session訪問壓力幾何級數(shù)增長。

• 對抖動敏感，遠距離訪問體驗差。

• 單元化部署，全球化部署。

• 除去容災（跨域備份），還要能就近讀寫（跨域雙活，多活）。

5. 游戲場景

架構特點：玩家可就近接入，本身邏輯就近計算數(shù)據讀取，基本不存在數(shù)據一致性問題，靈活調整分布式節(jié)點。

可以靈活跨地域部署，數(shù)據通過Tair同步延遲根據網絡速度決定通常在100ms以下。

場景：聊天室，彈幕信息同步；跨服對戰(zhàn)；全球道具商城。

6.出行場景

Tair也在高德地圖中深度使用，并解決了出行場景的一些問題。

使用前：導航時地理位置信息推送問題

1. DNS漂移是一個邊界效應，通常大概影響邊界上5%-7%的用戶。

2. 在導航中跨越邊界時，會大量出現(xiàn)交叉訪問不同數(shù)據區(qū)的場景；業(yè)務邏輯復雜，可靠性低，用戶體驗差。

使用后：高德交通三地六向同步（Tair only）

1. Redis-enterprise跨域多活提供百萬OPS每秒的數(shù)據同步。

2. 交通在三地都可高速寫入/訪問；極高性能的優(yōu)勢提供流暢的用戶體驗。

3. 用戶可以靈活的在SDK層控制讀寫，比例等。

（四）做一個有計算的內存數(shù)據庫

1. TairCPC高精度計數(shù)

TairCPC是一種數(shù)據的壓縮算法（sketches）的內存實現(xiàn)，可以利用很小的空間對采樣數(shù)據做高性能的計算，適合在實時和流式計算場景下做高性能的風控和安全場景。

• 主要特性

1）內存占用低

2）增量讀寫，IO最小化

3）毫秒級高性能去重

4）超高去重精度

5）誤差率穩(wěn)定收斂

• 適用場景

1）想以較低的內存實現(xiàn)對海量數(shù)據的去重計算；

2）容忍一定的四舍五入的誤差率；

3）適用于實時計算的滾窗和滑窗去重。

2. TairTS時序數(shù)據處理

TairTS是基于Redis Module開發(fā)的時序數(shù)據結構，提供低時延高并發(fā)的內存讀寫訪問，以及快速的過濾聚合查詢功能。將存儲與計算集于一身，極大地簡化用戶處理時序數(shù)據的流程，結合Tair持久內存型單集群最大規(guī)?？蛇_65T。

• 主要特性

1）TairTS相對于TSDB類傳統(tǒng)時序數(shù)據庫，可提供更快的寫入性能，并提供數(shù)10倍的查詢性能。

2）針對小規(guī)模數(shù)據場景，TairTS可將批量查詢與聚合計算集成到單條命令中，減少網絡交互，實現(xiàn)毫秒級響應。

3）針對大規(guī)模數(shù)據場景，可利用索引命令，將大規(guī)模數(shù)據，分批查詢與聚合，實現(xiàn)秒級響應。

• 適用場景

1）監(jiān)控數(shù)據的存儲與計算

2）車聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網實時IOT數(shù)據處理

3）APM秒級監(jiān)控等

三、面向未來

最后談一下未來面對的事情，關注云產品的人可能都知道存儲計算分離，我們希望在這基礎上能再進行一層分離。將內存也分離出來，做一個大的內存存儲池。希望我們的再分離一層，就是把內存也分離出來，因為現(xiàn)在可能是一個大的存儲池，為用戶提供更加彈性的服務。