在 Pisa-Proxy 中，如何利用 Rust 实现 MySQL 代理

一

背景

在 Database Mesh 中，Pisanix 是一套以数据库为中心的治理框架，为用户提供了诸多治理能力，例如：数据库流量治理，SQL 防火墙，负载均衡和审计等。在 Pisanix 中，Pisa-Proxy 是作为整个 Database Mesh 实现中数据平面的核心组件。Pisa-Proxy 服务本身需要具备 MySQL 协议感知，理解 SQL 语句，能对后端代理的数据库做一些特定的策略，SQL 并发控制和断路等功能。在这诸多特性当中，能够理解 MySQL 协议就尤为重要，本篇将主要介绍 MySQL 协议和在 Pisa-Proxy 中 MySQL 协议的 Rust 实现。

Why Rust

为什么要选用 Rust 语言呢？我们的考量有以下几个必要条件。

• 安全性： 首先作为数据库治理的核心组件，其语言的安全性是居首位的。Rust 中，类型安全实现内存安全，如所有权机制、借用、生命周期等特性避免了程序开发过程中的空指针、悬垂指针等问题，从而保证了服务在语言层面的安全性。
• 优秀的性能表现： Rust 的目标在性能方面对标 C 语言，但在安全和生产力方面则比 C 更胜一筹。 其无 GC，不需要开发人员手动分配内存等特性，极大程度地减少内存碎片，简化内存管理。
• 低开销： 从开发效率和可读可维护性上来说，有足够的抽象能力，并且这种抽象没有运行时开销（runtime cost）。零开销抽象，通过泛型和 Trait 在编译期展开并完成抽象解释。
• 实用性： 有优秀的包管理器工具 Crate、文档注释支持、详细的编译器提示、友好的错误处理等，在开发过程中能够高效帮助程序员快速开发出可靠、高性能的应用。

二

整体架构，模块设计

整体架构。

图 1 Pisa-Proxy 工作流程图

工作流程

在图 1 中我们可以看出整个 Proxy 服务可以概括为以下几个阶段。

1. 首先 Pisa-Proxy 支持 MySQL 协议，将自己伪装为数据库服务端，应用连接配置只需修改访问地址即可建连 Pisa-Proxy 通过读取应用发来的握手请求和数据包；

2. 得到应用发来的 SQL 语句后对该 SQL 进行语法解析，并得到该 SQL 的 AST；

3. 得到对应 AST 后，基于 AST 实现高级访问控制和 SQL 防火墙能力；

4. 访问控制和防火墙通过后 SQL 提交执行，SQL 执行阶段的指标将采集为 Prometheus Metrics，最后根据负载均衡策略获取执行该语句的后端数据库连接；

5. 如果连接池为空将根据配置建立和后端数据库的连接，SQL 将从该连接发往后端数据库；

6. 最后读取 SQL 执行结果，组装后返回给客户端。

三

如何用 Rust 快速实现 MySQL 代理服务

如图 2，在整个代理服务中总体分为两部分：服务端和客户端，即代理服务作为服务端处理来自客户端的请求。和服务端，需要对服务端发起认证，并将客户端端命令发送给 MySQL 数据库。在这两部分中我们需要创建两套 Socket 来完成网络数据包的处理。

图 2

技术选型

介绍

在网络报处理和运行时处理上，我们选用了 Rust 实现的 Tokio（
https://github.com/tokio-rs/tokio ）框架。Tokio 框架是 Rust 编写的可靠、异步和精简应用程序的运行时。并且 Tokio 是一个事件驱动的非阻塞 I/O 平台，用于使用 Rust 编程语言编写异步应用程序。在高层次上，它提供了几个主要组件：

• 一个多线程、基于工作窃取的任务调度程序（ https://docs.rs/tokio/latest/tokio/runtime/index.html ）。
• 由操作系统的事件队列（epoll、kqueue、IOCP 等）支持的响应式编程。
• 异步 TCP 和 UDP（ https://docs.rs/tokio/latest/tokio/net/index.html ）套接字。

同时，Tokio 还提供了丰富的工具链，例如编解码工具包、分帧包等等，可以使我们更加方便快捷地处理 MySQL 中各种各样的数据报文。

项目地址:
https://github.com/tokio-rs/tokio

优势

a. 快速： Tokio 的设计旨在使应用程序尽可能都快。

b. 零成本抽象： Tokio 以 Future 为基础。虽然 Future 并非 Rust 独创，但与其他语言的 Future 不同的是，Tokio Future 编译成了状态机，用 Future 实现常见的同步，不会增加额外开销成本。Tokio 的非阻塞 IO 可以充分发挥系统优势，例如实现类似 Linux Epoll 这种多路复用技术，在单个线程上的多路复用允许套接字并批量接收操作系统消息，从而减少系统调用，所有这些都可以减少应用程序的开销。

c. 可靠： Rust 的所有权模型和类型系统可以实现系统级应用程序，而不必担心内存不安全。

d. 轻量级： 没有垃圾收集器，因为 Tokio 是基于 Rust 构建的，所以编译后的可执行文件包含最少的语言运行时。这意味着，没有垃圾收集器， 没有虚拟机，没有 JIT 编译，也没有堆栈操作。这样在编写多线程并发的系统时，能够有效避免阻塞。

e. 模块化： 每个组件都位于一个单独的库中。如果需要，应用程序可以挑选所需的组件，避免依赖不需要的组件。

代码实现

Rust 中数据包处理

#[derive(Debug)]
pub struct Packet {
    pub sequence: u8,
    pub conn: BufStream<LocalStream>,
    pub header: [u8; 4],
}

以上为 Proxy 数据包处理逻辑中核心的结构体，结构体中包含了三个字段分别为：

• sequence：报文中的序列号 ID
• conn：处理链接的 Socket
• header：存储消息头报文的数组，长度为 4 字节

在包处理逻辑中主要定义了以下