PolarDB for PostgreSQL架构解析：计算存储分离与HTAP技术详解

PolarDB for PostgreSQL架构解析：计算存储分离与HTAP技术详解

PolarDB-for-PostgreSQL A cloud-native database based on PostgreSQL developed by Alibaba Cloud. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/po/PolarDB-for-PostgreSQL

引言

PolarDB for PostgreSQL是阿里云自主研发的一款企业级云原生数据库产品，它采用创新的计算存储分离架构，在完全兼容PostgreSQL生态的同时，提供了弹性扩展、高可用、高性能等核心能力。本文将深入解析PolarDB的架构设计原理，重点介绍其计算存储分离架构和HTAP混合负载处理能力。

传统数据库面临的挑战

在传统数据库架构中，随着业务数据量的增长，通常会遇到以下瓶颈问题：

1. 存储容量受限：单机存储容量受限于物理硬件配置
2. 扩展成本高：增加只读实例需要独立存储，造成资源浪费
3. 实例创建慢：数据量越大，只读实例创建时间越长
4. 复制延迟高：主从节点间数据同步存在明显延迟

PolarDB架构概览

PolarDB通过创新的计算存储分离架构解决了上述问题，主要优势包括：

1. 弹性扩展：计算节点和存储节点可独立扩展
2. 成本优化：多个计算节点共享同一份物理存储
3. 读写分离：集群包含一个主节点和多个只读节点
4. 高可靠性：数据三副本存储，秒级备份能力

核心技术解析

计算存储分离架构

技术挑战

计算存储分离架构带来了以下技术挑战：

• 数据一致性：如何保证多个计算节点与共享存储间的数据一致性
• 读写分离：如何实现低延迟的数据复制
• 高可用性：如何进行故障恢复和切换
• I/O模型：如何优化从缓冲I/O到直接I/O的文件系统

基本原理

1. 角色分工：

   • 主节点：处理读写请求
   • 只读节点：仅处理读请求

2. 写入控制：只有主节点可以向共享存储写入数据

3. 数据同步：

   • 主节点将WAL日志写入共享存储
   • 只读节点从共享存储读取并应用WAL日志
   • 通过LogIndex机制保证内存页同步

关键技术：LogIndex

LogIndex是PolarDB解决"过时页"问题的核心技术：

1. 数据结构：持久化存储的哈希索引结构
2. 工作原理：
   • 记录WAL日志与数据页的映射关系
   • 只读节点通过LogIndex定位需要应用的WAL日志
   • 采用惰性应用模式减少I/O开销

一致性保证

PolarDB通过以下机制确保数据一致性：

1. 版本控制：维护数据页的多个版本
2. 写入限速：控制主节点刷日志速度
3. 一致性点：定义LSN一致性位置

HTAP混合负载处理

技术特点

1. 双引擎架构：

   • 单机执行引擎：处理高并发OLTP查询
   • 分布式执行引擎：处理大规模OLAP查询

2. 共享存储MPP：

   • 表数据完整存储，不进行物理分片
   • 保留OLTP工作流程不变
   • 无需修改应用数据模型

性能优势

1. 资源隔离：OLTP和OLAP负载互不干扰
2. 弹性扩展：可动态分配更多CPU资源给OLAP查询
3. 性能表现：达到传统MPP数据库90%的性能

技术实现细节

低延迟复制优化

传统流复制问题

1. I/O负载重，网络传输数据量大
2. 只读节点处理速度慢
3. DDL操作可能阻塞
4. 高并发下事务快照获取慢

优化方案

1. 元数据复制：只复制WAL日志元数据
2. 并行处理：提高只读节点应用速度
3. 锁优化：减少DDL操作阻塞
4. 快照优化：改进事务快照获取机制

总结

PolarDB for PostgreSQL通过创新的计算存储分离架构和HTAP混合负载处理能力，为企业级应用提供了高性能、高可用的数据库服务。其核心技术包括：

1. 基于共享存储的计算存储分离架构
2. LogIndex机制解决数据一致性问题
3. 双引擎HTAP处理能力
4. 优化的低延迟复制技术

这些技术创新使PolarDB能够同时满足OLTP和OLAP场景的需求，为用户提供更灵活、更高效的数据库解决方案。

PolarDB-for-PostgreSQL A cloud-native database based on PostgreSQL developed by Alibaba Cloud. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/po/PolarDB-for-PostgreSQL