紅遍全球的云原生數(shù)據(jù)庫，未來將走向何方？

科技云報道原創(chuàng)。

如今，企業(yè)面臨著指數(shù)級遞增的海量存儲需求，業(yè)務也面臨更多的熱點和突發(fā)流量帶來的挑戰(zhàn)。由于企業(yè)需要降本增效，進行更智能的數(shù)據(jù)決策，傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)難以滿足和響應快速增長的業(yè)務訴求。

在此背景下，云原生數(shù)據(jù)庫成為大勢所趨，不管是老牌的數(shù)據(jù)庫廠商，還是大型云計算企業(yè)都在向這一趨勢靠攏。

全球知名咨詢公司Gartner指出，云將主導數(shù)據(jù)庫市場的未來，到2022年，75%的數(shù)據(jù)庫將被部署或遷移至云平臺，只有25%的數(shù)據(jù)庫會在本地運行。云化無疑代表了未來，企業(yè)如何在云原生架構下使用數(shù)據(jù)庫，就成為必須要思考的問題。

云原生數(shù)據(jù)庫正當時

云原生數(shù)據(jù)庫，是一種通過云平臺進行構建、部署和分發(fā)的服務。這種云原生屬性是相比于其他類型數(shù)據(jù)庫最大的特點。作為一種云平臺，云原生數(shù)據(jù)庫以PaaS的形式進行分發(fā)，用戶可以將該平臺用于多種目的，例如存儲、管理和提取數(shù)據(jù)。

云原生數(shù)據(jù)庫通常通過在云基礎設施之上安裝數(shù)據(jù)庫軟件來實現(xiàn)，這種方式使得云原生數(shù)據(jù)庫具備了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫所不具備的直接訪問性和運行時可伸縮性。

首先是普遍可訪問和高可用性。

因為云原生數(shù)據(jù)庫是完全存在于云上的，所以可以隨時隨地從多前端訪問，提供云服務的計算節(jié)點。因其集群部署在云上，所以單點失敗對服務的影響特別小。當需要升級或更換服務的時候，可以對節(jié)點進行不中斷服務的逐漸升級。

其次是高擴展性與可遷移性。

云原生數(shù)據(jù)庫會與底層的云計算基礎設施分離，所以能夠靈活及時的調(diào)動資源進行擴容和縮容，從容應對流量激增可能帶來的壓力，以及流量低谷期因資源過剩造成的浪費。正是因為能夠靈活擴縮容，云原生數(shù)據(jù)庫也具備很強的可遷移性，我們甚至可以粗暴的理解為，在新的位置擴容100%，又在舊的位置縮容全部的50%。

此外，云原生數(shù)據(jù)庫還具備可監(jiān)控性和安全性的特征。

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的黑箱狀態(tài)下，是無法保證及時處理擴容、節(jié)點故障等需求和問題的，但是云原生數(shù)據(jù)庫全盤部署在云上，且各服務之間相互獨立，因此可以對應用或服務提供更多層的安全防護，并實現(xiàn)許多新的容錯服務。

最后是演進式設計與快速迭代。

云原生數(shù)據(jù)庫中的各項服務之間是相互獨立的，個別服務的更新并不會對其他部分產(chǎn)生不利影響，而不是一旦出了問題就只能全場熄火。此外，云原生的研發(fā)測試和運維工具是高度自動化的，這使得應用的更新會更加快速頻繁。

下一代云原生數(shù)據(jù)庫架構

近十年是數(shù)據(jù)庫市場發(fā)展最快的十年。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)庫市場營收已經(jīng)達到整個軟件市場的18.4%，而云數(shù)據(jù)庫貢獻了其中的68%。

特別是近幾年，云原生數(shù)據(jù)庫的理念為市場和各大云廠商所認可，各大廠商紛紛在自研云原生數(shù)據(jù)庫領域持續(xù)發(fā)力，未來的云數(shù)據(jù)庫市場是自研云原生數(shù)據(jù)庫之間的競爭。

在云原生數(shù)據(jù)庫領域，AWS于2014年推出的Aurora是先行者。國內(nèi)廠商也不甘落后，阿里云在2017年推出了PolarDB，騰訊云在2018年推出了CynosDB，華為云在2020年推出了GaussDB for MySQL。各大廠商都希望基于成熟的基礎設施“云”化技術，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構上的短板。

盡管云原生數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，很好地解決了傳統(tǒng)架構數(shù)據(jù)庫的諸多缺陷，如：數(shù)據(jù)問題回檔慢、維護成本高、可用性低、故障恢復慢等，讓企業(yè)能夠更高性能且靈活地訪問數(shù)據(jù)。但不可否認的是，云原生數(shù)據(jù)庫才剛剛走出了第一步。

首先是實現(xiàn)了存儲和計算分離，打破了存儲的單機限制，使得存儲獨立彈性成為可能，并為后續(xù)的一寫多讀集群奠定了基礎。

其次是基于分布式共享存儲的一寫多讀架構，使得數(shù)據(jù)庫的讀能力可以快速Scale Out，同時由于多個讀節(jié)點和寫節(jié)點共享同一份存儲，降低了成本，提升了資源利用率。

雖然當前的云原生架構解決了存儲的彈性問題和讀擴展問題，極大的提升了云原生數(shù)據(jù)庫的彈性和擴展能力，但是依然存在兩個比較大的瓶頸點，即內(nèi)存彈性和單點寫入問題。

因此，阿里云數(shù)據(jù)庫的總負責人、達摩院數(shù)據(jù)庫首席科學家李飛飛認為，下一代云原生數(shù)據(jù)庫架構將在以下兩個方向實現(xiàn)突破：

當前的云原生架構雖然實現(xiàn)了存儲和計算分離，存儲獨立彈性，但是計算節(jié)點仍然包含了CPU和內(nèi)存，無法真正實現(xiàn)秒級彈性擴容和Serverless。因此在云原生數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)CPU和內(nèi)存分離，內(nèi)存獨立彈性非常有必要。同時CPU和內(nèi)存分離可以讓多個CPU共享同一份內(nèi)存，降低內(nèi)存資源開銷。

當前一寫多讀的云原生架構，雖然實現(xiàn)了讀能力的擴展，但是寫能力仍然受到單機的限制，無法擴展。而采用分庫分表的分布式數(shù)據(jù)庫擴展，又會犧牲兼容性，需要應用感知和改造。

多寫架構主要困難在于信息交互的低效，導致線性擴展性低下。在CPU和內(nèi)存分離以后，多個CPU可以共享同一個內(nèi)存池來交換頁面信息和事務信息，同時結合高性能RDMA網(wǎng)絡和NVM，使得高性能多寫架構成為可能。

未來的云原生分布式數(shù)據(jù)庫

隨著企業(yè)業(yè)務更加數(shù)字化、智能化，企業(yè)面臨的數(shù)據(jù)存儲量將會更加巨大，面臨著更多突發(fā)狀況帶來的挑戰(zhàn)。據(jù)IDC預測，2025年，三分之二的企業(yè)將會每天都發(fā)布軟件版本，通過敏捷的開發(fā)能力來實現(xiàn)創(chuàng)新與交付，以形成差異化的市場競爭力。

在這樣的商業(yè)趨勢下，數(shù)據(jù)庫就需要全面進入云原生+分布式的時代，實現(xiàn)智能升級，充分釋放云計算紅利。

所謂的分布式，是面向業(yè)務擴展而出現(xiàn)的一個概念，而分布式數(shù)據(jù)庫，就是為了解決存儲可擴展性的一類數(shù)據(jù)庫。

它是由多個相互連接的數(shù)據(jù)庫組成，這些數(shù)據(jù)庫分布在各個數(shù)據(jù)中心，通過中央服務器進行通信，然后組合在一起形成一個面向用戶的單個數(shù)據(jù)庫。基于Shared Nothing的架構，分布式數(shù)據(jù)庫能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的水平分片、水平擴展。

而云原生數(shù)據(jù)庫是基于Shared Everything + Shared Storage 的存儲計算分離架構，能夠實現(xiàn)資源池化高效管理。

因此，云原生數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢+分布式數(shù)據(jù)庫的效率，可以將兩者的特性完美結合，代表了一種未來的解決方案。

事實上，云原生和分布式如今已經(jīng)融為一體。如果底層基礎設施全部云化，人們思考技術問題的角度自然變成“云原生”角度。

正如華為輪值董事長徐直軍所說，隨著云原生應用深入企業(yè)各個業(yè)務場景，云原生正在走向分布式，滿足跨云跨地域統(tǒng)一協(xié)同治理、保證一致應用體驗等新需求。

未來，將云原生與分布式結合起來，全新的云原生分布式架構的數(shù)據(jù)庫將具備高擴展性、易用性、迭代快速、成本降低等特點，具體而言：

云原生分布式數(shù)據(jù)庫與底層的云計算基礎設施分離，所以能夠靈活及時調(diào)動資源進行擴容縮容，以從容應對流量激增帶來的壓力，以及流量低谷期因資源過剩造成的浪費。生態(tài)兼容的特點，也讓云原生數(shù)據(jù)庫具備很強的可遷移性。

云原生分布式數(shù)據(jù)庫非常易于使用，它的計算節(jié)點在云端部署，可以隨時隨地從多前端訪問。因其集群部署在云上，通過自動化的容災與高可用能力，單點失敗對服務的影響非常小。當需要升級或更換服務時，還可以對節(jié)點進行不中斷服務的輪轉升級。

云原生分布式數(shù)據(jù)庫中的各項服務之間相互獨立，個別服務的更新不會對其他部分產(chǎn)生影響。此外，云原生的研發(fā)測試和運維工具高度自動化，也就可以實現(xiàn)更加敏捷的更新與迭代。

建立數(shù)據(jù)中心是一項獨立而完備的工程，需要大量的硬件投資以及管理和維護數(shù)據(jù)中心的專業(yè)運維人員。此外，持續(xù)運維會造成很大的財務壓力。云原生分布式數(shù)據(jù)庫以較低的前期成本，獲得一個可擴展的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)更優(yōu)化的資源分配。

結語

應用程序和軟件開發(fā)正在經(jīng)歷一場云原生的變革，從編排、管理到分析，所有的東西都開始在云上從頭構建。由于在功能和可靠性上優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再加上增強的可伸縮性，云原生分布式數(shù)據(jù)庫無疑代表了數(shù)據(jù)庫的未來?？梢灶A見，誰能夠把云原生和分布式技術結合得更加完美，誰就會在未來的市場競爭中占得先機。

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