TiDB 冷熱儲存分離解決方案

TiDBCommunityTechPortal發表於2022-05-17
TiDB

結論先行

TiDB 6.0正式提供了資料放置框架（Placement Rules in SQL ）功能，使用者透過 SQL 配置資料在 TiKV 叢集中的放置位置，可以對資料進行直接的管理，滿足不同的業務場景需要。如：

1.冷熱分離儲存，降低儲存成本

  • TiDB 6.0正式支援資料冷熱儲存分離，可以降低SSD使用成本。使用 TiDB 6.0的資料放置功能，可以在同一個叢集實現海量資料的冷熱儲存，將新的熱資料存入SSD，歷史冷資料存入 HDD，降低歷史歸檔資料儲存成本。

    • 將熱資料從ssd遷移到hdd，每小時可歸檔約3000萬行，總體來看效率還是比較高的

    • 將冷資料從hdd遷移到ssd，每小時可遷移約6300萬行，大約是從ssd遷移到hdd速度的2倍

    • 分離儲存過程，ssd和hdd用於歸檔的IO消耗都在10%以內，叢集訪問QPS表現平穩，對業務訪問的影響較小

    • 在補寫冷資料場景，每小時寫入約1500萬行到hdd，資料可正確地直接寫入hdd，不會經過ssd

2.業務底層物理隔離，實現同一叢集不同儲存

  • 透過放置規則管理將不同資料庫下的資料排程到不同的硬體節點上，實現業務間資料的物理資源隔離，避免因資源爭搶，硬體故障等問題造成的相互干擾

  • 透過賬號許可權管理避免跨業務資料訪問，提升資料質量和資料安全。

3.合併MySQL業務，降低運維壓力，提升管理效率

  • 使用少數 TiDB 叢集替換大量的 MySQL 例項，根據不同業務底層設定不同的物理儲存隔離需求，讓資料庫數量大大減少，原本的升級、備份、引數設定等日常運維工作將大幅縮減，在資源隔離和價效比上達到平衡，大幅減少 DBA 日常的運維管理成本。

我們的HTAP叢集目前有一個資料歸檔需求，整個叢集共約330TB，考慮到成本和訪問頻率、效能等各方面需求，要求至少儲存3個月共約80TB到ssd，250TB存到hdd，現在基於我們的大資料冷熱分離歸檔業務場景，本文重點探討冷熱資料歸檔儲存的功能和特性，以方便下一步我們正式應用到生產環境。

概述

TiDB叢集透過PD節點（Placement Driver 元件）在系統內基於熱點、儲存容量等策略自動完成region的排程，從而實現叢集資料均衡、分散儲存在各個節點的目標，這些排程操作是叢集的自身管理行為，對使用者而已幾乎是透明的，在之前的版本使用者無法精確控制資料的儲存方式和位置。

TiDB 6.0正式提供了資料放置框架（Placement Rules in SQL ）功能，使用者透過 SQL 配置資料在 TiKV 叢集中的放置位置，可以對資料進行直接的管理，以滿足不同的業務場景需要。使用者可以將庫、表和分割槽指定部署至不同的地域、機房、機櫃、主機。還支援針對任意資料提供副本數、角色型別等維度的靈活排程管理能力，這使得在多業務共享叢集、跨中心部署、冷熱資料歸檔儲存等場景下，TiDB 得以提供更靈活更強大的資料管理能力。

該功能可以實現以下業務場景：

  • 動態指定重要資料的副本數，提高業務可用性和資料可靠性

  • 將最新資料存入 SSD，歷史資料存入 HDD，降低歸檔資料儲存成本

  • 把熱點資料的 leader 放到高效能的 TiKV 例項上，提供高效訪問

  • 不同業務共用一個叢集，而底層按業務實現儲存物理隔離，互不干擾，極大提升業務穩定性

  • 合併大量不同業務的MySQL例項到統一叢集，底層實現儲存隔離，減少管理大量資料庫的成本

原理簡介

早期版本的Placement rule使用時需要透過pd-ctl工具設定和檢視，操作繁瑣且晦澀難懂。經過幾個版本的迭代和最佳化，推出的PlacementRules in SQL對使用者更加友好，到了v6.0.0總體來說還是很方便理解和使用的，避免了使用pd-ctl工具配置的複雜性，大大降低使用門檻。

放置策略的實現依賴於TiKV叢集label標籤配置，需提前做好規劃（設定 TiKV 的 labels）。可透過show placement labels檢視當前叢集所有可用的標籤。

 mysql> show placement labels ;
 +------+-----------------------------------------------------------------+
 | Key  | Values                                                          |
 +------+-----------------------------------------------------------------+
 | disk | ["ssd"]                                                         |
 | host | ["tikv1", "tikv2", "tikv3"] |
 | rack | ["r1"]                                                          |
 | zone | ["guangzhou"]                                                   |
 +------+-----------------------------------------------------------------+
 4 rows in set (0.00 sec)
 ​

使用時有基礎用法和高階用法兩種方式。

(1) 基礎放置策略

基礎放置策略主要是控制Raft leader和followers的排程。

 #建立放置策略
 CREATE PLACEMENT POLICY myplacementpolicy PRIMARY_REGION="guangzhou" REGIONS="guangzhou,shenzhen";
 ​
 #將規則繫結至表或分割槽表，這樣指定了放置規則
 CREATE TABLE t1 (a INT) PLACEMENT POLICY=myplacementpolicy;
 CREATE TABLE t2 (a INT);
 ALTER TABLE t2 PLACEMENT POLICY=myplacementpolicy;
 ​
 #檢視放置規則的排程進度，所有繫結規則的物件都是非同步排程的。
 SHOW PLACEMENT;
 ​
 #檢視放置策略
 SHOW CREATE PLACEMENT POLICY myplacementpolicy\G
 select * from information_schema.placement_policies\G
 ​
 #修改放置策略，修改後會傳播到所有繫結此放置策略的物件
 ALTER PLACEMENT POLICY myplacementpolicy FOLLOWERS=5;
 ​
 #刪除沒有繫結任何物件的放置策略
 DROP PLACEMENT POLICY myplacementpolicy;
 ​

(2) 高階放置策略

基礎放置策略主要是針對Raft leader 、Raft followers的排程策略，如果需要更加靈活的方式，如不區分region角色將資料指定儲存在hdd，需要使用高階放置策略。使用高階放置策略主要有兩個步驟，首先建立策略，然後在庫、表或分割槽上應用策略。

 # 建立策略，指定資料只儲存在ssd
 CREATE PLACEMENT POLICY storeonfastssd CONSTRAINTS="[+disk=ssd]";
 ​
 # 建立策略，指定資料只儲存在hdd
 CREATE PLACEMENT POLICY storeonhdd CONSTRAINTS="[+disk=hdd]";
 ​
 # 在分割槽表應用高階放置策略，指定分割槽儲存在hdd或者ssd上，未指定的分割槽由系統自動排程
 CREATE TABLE t1 (id INT, name VARCHAR(50), purchased DATE)
 PARTITION BY RANGE( YEAR(purchased) ) (
   PARTITION p0 VALUES LESS THAN (2000) PLACEMENT POLICY=storeonhdd,
   PARTITION p1 VALUES LESS THAN (2005),
   PARTITION p2 VALUES LESS THAN (2010),
   PARTITION p3 VALUES LESS THAN (2015),
   PARTITION p4 VALUES LESS THAN MAXVALUE PLACEMENT POLICY=storeonfastssd
 );
 ​

高階放置策略具體內容，請看官網介紹docs.pingcap.com/zh/tidb/stable/pl...。

環境

角色 機器數 記憶體 資料盤 CPU OS
TiDB&TiPD 3 256G 1TB hdd 40 cpu (20 core*2 thread) Debian 4.19.208-1 (2021-09-29) x86_64 GNU/Linux
TiKV 3 256G 800GB ssd，1TB hdd 40 cpu (20 core*2 thread) Debian 4.19.208-1 (2021-09-29) x86_64 GNU/Linux

冷熱歸檔儲存

  • 目標：對給定的表按日期分割槽，將最新分割槽的資料存入SSD，歷史資料存入 HDD

功能驗證

1.部署叢集並建立放置策略

  • 部署TiDB v6.0.0叢集，具體參考部署叢集操作

  • 建立資料落盤策略，以備使用

     # 應用該策略的庫、表、分割槽，資料會儲存在ssd上
 CREATE PLACEMENT POLICY storeonssd CONSTRAINTS="[+disk=ssd]" ;
 ​
 # 應用該策略的庫、表、分割槽，資料會儲存在hdd上
 CREATE PLACEMENT POLICY storeonhdd CONSTRAINTS="[+disk=hdd]";
 ​
 #檢視叢集已有策略
 mysql> show placement \G
 *************************** 1. row ***************************
           Target: POLICY storeonhdd
        Placement: CONSTRAINTS="[+disk=hdd]"
 Scheduling_State: NULL
 *************************** 2. row ***************************
           Target: POLICY storeonssd
        Placement: CONSTRAINTS="[+disk=ssd]"
 Scheduling_State: NULL
 2 rows in set (0.02 sec)
 ​

2.建立庫表並應有放置策略

建立目標表為TiDB分割槽表並且按 Range 分割槽。

 # 建立資料庫tidb_ssd_hdd_test，並設定該庫預設落盤策略，設定後新建的表都會預設繼承該策略
 create database tidb_ssd_hdd_test  PLACEMENT POLICY=storeonssd;
 ​
 # 檢視策略已經應用到指定庫上
 mysql> show placement \G
 *************************** 1. row ***************************
           Target: POLICY storeonhdd
        Placement: CONSTRAINTS="[+disk=hdd]"
 Scheduling_State: NULL
 *************************** 2. row ***************************
           Target: POLICY storeonssd
        Placement: CONSTRAINTS="[+disk=ssd]"
 Scheduling_State: NULL
 *************************** 3. row ***************************
           Target: DATABASE tidb_ssd_hdd_test
        Placement: CONSTRAINTS="[+disk=ssd]"
 Scheduling_State: SCHEDULED
 3 rows in set (0.02 sec)
 ​
 ​
 # 建立分割槽表，可以看到表建立後預設繼承和庫一樣的落盤策略，關鍵標識為“/*T![placement] PLACEMENT POLICY=`storeonssd` */”
 CREATE TABLE `logoutrole_log ` (
   `doc_id` varchar(255) NOT NULL,
   `gameid` varchar(255) DEFAULT NULL ,
   -- some fields
   `logdt` timestamp DEFAULT '1970-01-01 08:00:00' ,
   `updatetime` varchar(255) DEFAULT NULL ,
   UNIQUE KEY `doc_id` (`doc_id`,`logdt`),
   -- some index
   KEY `logdt_gameid` (`logdt`,`gameid`)
 ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin /*T![placement] PLACEMENT POLICY=`storeonssd` */
 PARTITION BY RANGE ( UNIX_TIMESTAMP(`logdt`) ) (
   PARTITION `p20220416` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-17 00:00:00')),
   PARTITION `p20220417` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-18 00:00:00')),
   PARTITION `p20220418` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-19 00:00:00')),
   PARTITION `p20220419` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-20 00:00:00')),
   PARTITION `p20220420` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-21 00:00:00')),
   PARTITION `p20220421` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-22 00:00:00')),
   PARTITION `p20220422` VALUES LESS THAN (UNIX_TIMESTAMP('2022-04-23 00:00:00'))
 );
 ​

3.寫入熱資料到ssd盤並擴容hdd儲存節點

  • 叢集只有3個ssd的tikv節點，啟動flink流往目標表匯入資料，可以看到這3個ssd節點的region數和空間使用在不斷增長

1650964998281.png

1650965222072.png

  • 在原有基礎上再擴容3個hdd tikv例項

1650965633758.png

4.冷熱分離

為了方便模擬資料的遷移，flink匯入的資料是全部落在2022-04-16這一天：

 mysql> select date(logdt) as day,count(0) from logoutrole_log group by day order by day ;            
 +------------+----------+
 | day        | count(0) |
 +------------+----------+
 | 2022-04-16 |  1109819 |
 +------------+----------+
 1 row in set (1.09 sec)
 ​

停止flink寫入後，設定資料分離放置策略，將儲存在ssd上的2022-04-16這一天的資料，轉存到hdd上，模擬冷資料歸檔操作：

 mysql> alter table tidb_ssd_hdd_test.logoutrole_log partition p20220416 placement policy storeonhdd;
 Query OK, 0 rows affected (0.52 sec)

在應用hdd轉存策略後，如下圖可以看到排程規則裡2022-04-16這一天的分割槽Placement由ssd變為了hdd，即叢集已經知曉最新的排程策略是將這一天的分割槽資料排程到hdd去，Scheduling_State處於PENDING狀態，表示 Follower 的 raft log 與 Leader 有較大差距，在這裡可以理解為是正在處於排程的過程。

1650341702179.png

隨著時間的推移，資料在不斷從ssd遷移到hdd上。從叢集grafana監控皮膚可以看到ssd節點上的region資料在不斷下降，直到降到接近於0；相反，hdd上的region數不斷上升，直到資料全部遷出ssd節點。110萬行資料從ssd遷移到hdd，大約耗時3min 。

1650342094048.png

在資料全部遷如hdd節點後，檢視排程進度，此時Scheduling_State處於SCHEDULED完成排程狀態：

1650342133243.png

結論：

  • 證明冷熱資料隔離儲存策略已經生效，ssd上的資料完成遷移到hdd上，且ssd的空間得以釋放，符合資料歸檔的目標。

靜態叢集冷熱儲存分離（無外部訪問）

ssd->hdd

繼續透過flink寫入資料到2022-04-17分割槽，然後停流使叢集沒有外部訪問流量，將此分割槽上 ssd資料遷移到 hdd。

 alter table tidb_ssd_hdd_test.logoutrole_log partition p20220417 placement policy storeonhdd;

1650970144694.png

ssd上的region全部遷移到hdd上，ssd空間被釋放，hdd空間使用逐漸增加，遷移過程中ssd和hdd的IO消耗都在5%左右，記憶體和網路頻寬使用不變、保持平穩。 約6千萬行130GB資料從ssd資料遷移到 hdd大概需要2個小時

結論：

  • 在將大規模資料從ssd資料遷移到 hdd過程，叢集資源消耗比較低，可以有效避免過多佔用叢集資源。

  • 在叢集沒有外部訪問壓力時，在預設配置下，叢集以每小時約3000萬行的速度從ssd遷移到hdd節點。

hdd->ssd

在沒有外部流量訪問時，將資料從hdd遷移回ssd，從監控圖可以看到，hdd節點的tikv的leader數、region數在此期間都在下降，分別從850、2500逐漸下降直到為0，磁碟空間也從62GB下降為0，表示資料在持續遷移出hdd節點；

1652425488812.png

1652425944226.png

相反地，由於資料不斷遷入到ssd中，ssd節點的tikv的leader數、region數在此期間都在上升，分別從1500、4200逐漸上升到2200、6700，直到資料遷入完成，然後保持數量不變，ssd的磁碟空間消耗也從100GB上升到161GB。

遷移的過程中，ssd和hdd節點的IO使用率都比較低，如下圖：

1652426155311.png

結論：

  • 將冷資料從hdd遷移至ssd，遷移1.7億行共約200GB資料，大約耗時2小時40分鐘，平均每小時遷移6300萬行，速度約為將熱資料從ssd遷到hdd的2倍（每小時約3000萬行）

  • 將資料從hdd遷移至ssd的過程，不管是對ssd還是hdd，其平均IO使用率都不高，不會佔用過多叢集的資源，可以認為資料遷移過程對叢集正在執行的業務影響不大

熱叢集冷熱儲存分離（外部持續訪問）

繼續持續寫入資料到2022-04-18和2022-04-19的ssd分割槽，然後不停流保持持續的寫入壓力，遷移2022-04-18資料從ssd到hdd，觀察叢集表現。

#應用放置策略將2022-04-18資料從ssd歸檔到hdd
alter table tidb_ssd_hdd_test.logoutrole_log partition p20220418 placement policy storeonhdd;

在歸檔過程，flink同時持續以2100的QPS寫入熱資料，期間ssd IO接近100%，hdd的IO消耗在10%以下，各節點CPU在500%以下，網路頻寬在200MB/s以下，記憶體使用保持平穩。

從region數變化的角度來看：

  • 在歸檔資料時，ssd的tikv region數從6300下降到3500左右，當遷移完成後是淨寫入資料，此時ssd 節點的region數量又持續上升；

  • hdd節點的region數從開始的2600上升到6500左右，隨著資料遷移完成，hdd的region數不再增加，一直保持6500不變。

1650971789523.png

從磁碟使用空間變化的角度來看：

  • 歸檔資料時，ssd節點的磁碟使用空間從152GB下降到88GB，當遷移完成後，此時是淨寫入資料，ssd空間開始上升；

  • 資料在不斷寫入到hdd節點，所以其使用空間從61GB上升到154GB，隨著資料遷移完成，一直保持不變

1650593578630.png

1650593565818.png

1650593789799.png

結論：

  • 在有外部幾乎是滿IO的寫入壓力時，歸檔約2億行、400GB資料從ssd到hdd節點，大概需要6個小時，即約3300萬行/小時，可以說冷資料的歸檔效率還是比較高的

  • 叢集后臺在進行資料歸檔時，flink的sink QPS變化不大，可以認為歸檔的過程對叢集正常寫入影響不大

歸檔資料補寫

業務上有補全歷史資料的場景，比如資料重算等，這裡模擬補全歷史冷資料，寫入到hdd。

  • 2022-04-16這一天的資料已經全部轉存到hdd冷盤中。啟動flink流，繼續對2022-04-16分割槽寫入資料，這些只會寫hdd，不會寫入ssd。flink流以2000左右的sink QPS補全冷資料，hdd tikv節點IO打滿，SSD的IO使用率比較低。

1650969265594.png

從下圖可以看到，在補全冷資料的時候， hdd節點的region數在不斷上升，hdd tikv的空間消耗也在不斷增加，而ssd的空間使用和region數均保持不變，說明資料並不會寫入ssd中，符合預期。

1650969430703.png

結論：

  • 說明TiDB冷熱資料分離儲存功能，在補全歷史冷資料的場景，即歸檔資料補寫，資料可以正確地直接寫入到hdd，期間資料不會經過ssd

  • 補全冷資料，hdd tikv節點IO打滿，ssd的IO使用率比較低，也說明資料不會經過ssd

同一叢集業務隔離

除了冷熱資料歸檔外，我們線上不同的業務線通常採用一套或多套 MySQL 來管理，但因為業務多導致MySQL有數百個，日常的監控、診斷、版本升級、安全防護等工作對運維團隊造成了巨大的壓力，且隨著業務規模越來越大，管理的成本不斷上升。

使用Placement rule功能可以很容易靈活的叢集共享規則。可以將不同MySQL上的業務遷移到同一個TiDB叢集，實現多個不同業務的共用一個叢集而底層提供物理儲存隔離，有效減少大量MySQL的管理成本。這個也是我們接下來會繼續推進最佳化的地方。

舉例說明，業務 A和B 共享資源，降低儲存和管理成本，而業務 C 和 D 獨佔資源，提供最高的隔離性。由於多個業務共享一套 TiDB 叢集，升級、打補丁、備份計劃、擴縮容等日常運維管理頻率可以大幅縮減，降低管理負擔提升效率。

1651723818212.png

CREATE PLACEMENT POLICY 'shared_nodes' CONSTRAINTS = "[+region=shared_nodes]";
CREATE PLACEMENT POLICY 'business_c' CONSTRAINTS = "[+region=business_c]";
CREATE PLACEMENT POLICY 'business_d' CONSTRAINTS = "[+region=business_d]";

ALTER DATABASE a POLICY=shared_nodes;
ALTER DATABASE b POLICY=shared_nodes;
ALTER DATABASE c POLICY=business_c;
ALTER DATABASE d POLICY=business_d;

基於 SQL 介面的資料放置規則，你僅僅使用少數 TiDB 叢集管理大量的 MySQL 例項，不同業務的資料放置到不同的 DB，並透過放置規則管理將不同 DB 下的資料排程到不同的硬體節點上，實現業務間資料的物理資源隔離，避免因資源爭搶，硬體故障等問題造成的相互干擾。透過賬號許可權管理避免跨業務資料訪問，提升資料質量和資料安全。在這種部署方式下，叢集數量大大減小，原本的升級，監控告警設定等日常運維工作將大幅縮減，在資源隔離和價效比上達到平衡，大幅減少日常的 DBA 運維管理成本。

總結

1.冷熱分離儲存，降低儲存成本

  • TiDB 6.0正式支援資料冷熱儲存分離，可以降低SSD使用成本。使用 TiDB 6.0的資料放置功能，可以在同一個叢集實現海量資料的冷熱儲存，將新的熱資料存入SSD，歷史冷資料存入 HDD，降低歷史歸檔資料儲存成本。

    • 將熱資料從ssd遷移到hdd，每小時可歸檔約3000萬行，總體來看效率還是比較高的

    • 分離儲存過程，ssd和hdd用於歸檔的IO消耗都在10%以內，叢集訪問QPS表現平穩，對業務訪問的影響較小

    • 在補寫冷資料到hdd場景，資料可正確地直接寫入hdd，不會經過ssd。flink補寫冷資料時滿IO每秒寫入約4000行，每小時寫入約1500萬行。

2.業務底層物理隔離，實現同一叢集不同儲存

  • 透過放置規則管理將不同資料庫下的資料排程到不同的硬體節點上，實現業務間資料的物理資源隔離，避免因資源爭搶，硬體故障等問題造成的相互干擾

  • 透過賬號許可權管理避免跨業務資料訪問，提升資料質量和資料安全。

3.合併MySQL業務，降低運維壓力，提升管理效率

  • 使用少數 TiDB 叢集替換大量的 MySQL 例項，根據不同業務底層設定不同的物理儲存隔離需求，讓資料庫數量大大減少，原本的升級、備份、引數設定等日常運維工作將大幅縮減，在資源隔離和價效比上達到平衡，大幅減少 DBA 日常的運維管理成本。

4.放置策略應用操作步驟

  • 對已有叢集應用Placement Rules
0\. 將叢集升級到6.0.0版本
1. 建立預設SSD策略
2. 開啟放置策略預設開關，使得叢集已有庫表都預設儲存在ssd上 （該功能依賴官方釋出新版本支援）
- 目前只能用指令碼alter全部庫設定這個預設策略，如果有新增的庫也需要提前進行設定
3. 申請新機器並擴容新的 hdd tikv  
4. 建立 hdd 放置策略
5. 在目標表的目標分割槽上指定 ssd或hdd 策略
6. 定期將過期分割槽宣告hhd放置策略
  • 對新建的叢集應用Placement Rules
0\. 部署6.0.0叢集版本
1. 建立預設SSD策略
2. 建立的全部庫都先設定這個預設策略
3. 申請新機器並擴容新的 hdd tikv  
4. 建立hdd放置策略
5. 在目標表或目標分割槽上指定ssd或hdd 策略
6. 定期將過期分割槽宣告hhd放置策略

原作者：@Jellybean 原文連結

本作品採用《CC 協議》，轉載必須註明作者和本文連結

相關文章