內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，NVDIMM和數(shù)據(jù)持久性

　　隨著從通信設(shè)備到航空裝備和工業(yè)控制器等技術(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)管理需求的不斷增長(zhǎng)，以及受到這些設(shè)備中不斷增加的板載CPU、RAM和存儲(chǔ)資源的推動(dòng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)軟件在電子設(shè)備中越來(lái)越普及。設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模大小不一，從幾個(gè)GB的數(shù)據(jù)到支持電信計(jì)費(fèi)/信用系統(tǒng)的等級(jí)評(píng)定和余額管理應(yīng)用，再到10GB以上的IP路由器的控制層數(shù)據(jù)庫(kù)以及100GB以上的電信呼叫路由數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)——曾經(jīng)與商業(yè)應(yīng)用、臺(tái)式機(jī)和web應(yīng)用幾乎完全關(guān)聯(lián)在一起——為了滿足當(dāng)今電子設(shè)備的需求而經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)足的發(fā)展。設(shè)計(jì)師經(jīng)常采用的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(IMDS)是在主存中存儲(chǔ)記錄，因此可以消除許多延時(shí)源，比如通過(guò)硬連線接進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的緩存和文件管理，這些源將數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)在硬盤或閃存中(下圖1顯示了這些延時(shí)源)。因此與傳統(tǒng)“硬盤上的”數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相比，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的執(zhí)行速度可以快好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。它們的設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單，可以最大限度地減少對(duì)CPU周期的需求，進(jìn)而允許使用更小功耗和更低成本的處理器。

　　圖1：傳統(tǒng)(磁盤上)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的延時(shí)源。

　　然而，易失性有時(shí)是一個(gè)使人擔(dān)心的因素。當(dāng)發(fā)生斷電或系統(tǒng)故障時(shí)，主存中的內(nèi)容將消失。一些應(yīng)用可以容忍這種風(fēng)險(xiǎn)。例如，存儲(chǔ)在機(jī)頂盒中的基于RAM的電子節(jié)目指南在發(fā)生電源故障時(shí)會(huì)丟失，但利用有線電視頭端或衛(wèi)星接收機(jī)中的信息可以很快重建。然而，其它許多電子設(shè)備要求更高等級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)持久性和可恢復(fù)性。舉例來(lái)說(shuō)，一些醫(yī)療設(shè)備要求記錄隨時(shí)間變化的癥狀以支持臨床決策——這些數(shù)據(jù)在發(fā)生電源故障時(shí)不能突然消失。網(wǎng)絡(luò)路由器和交換機(jī)通常將配置數(shù)據(jù)永久地存儲(chǔ)在閃存中。將這種配置數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中也是有意義的，可以實(shí)現(xiàn)更快的重啟——但數(shù)據(jù)需要是可恢復(fù)的。面臨DRAM易失性挑戰(zhàn)的還有“讀取”指紋或臉部的掃描儀。為了允許或拒絕訪問(wèn)安全設(shè)施，掃描儀需要將這些數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在設(shè)備上的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的生物特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。如果訪問(wèn)控制系統(tǒng)發(fā)生了故障，系統(tǒng)必須能夠很快恢復(fù)。

　　應(yīng)用例子：內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和工業(yè)控制器

　　在工業(yè)控制系統(tǒng)中，在控制器中集成內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以支持‘扁平的’控制系統(tǒng)架構(gòu)。數(shù)據(jù)在這種架構(gòu)中存儲(chǔ)和處理，一些控制決策在獨(dú)立控制器層產(chǎn)生;而在相反(和傳統(tǒng))的層次化系統(tǒng)架構(gòu)中，存儲(chǔ)在控制器層的數(shù)據(jù)通常被限制用于控制變量。

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)易失性解決方案

　　解決這種易失性問(wèn)題已有相應(yīng)的解決方案。以電池供電RAM形式出現(xiàn)的非易失性內(nèi)存可以在系統(tǒng)斷電時(shí)在DRAM芯片上保持?jǐn)?shù)據(jù)不變，不過(guò)這種方法沒(méi)有得到廣泛普及，因?yàn)榇嬖趪?yán)格的溫度要求、漏電流風(fēng)險(xiǎn)、有限的電池使用壽命和其它缺點(diǎn)。

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件本身可以提供數(shù)據(jù)持久性機(jī)制。舉例來(lái)說(shuō)，借助事務(wù)日志功能，這種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以在日志文件中創(chuàng)建一條條事務(wù)記錄(對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行的一組修改必須作為一個(gè)整體完成或失敗)，在發(fā)生故障后這些記錄可以用來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。但記錄本身要求寫入永久存儲(chǔ)器，因此性能上會(huì)有些下降。

　　減輕易失性問(wèn)題的另外一種內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能是數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制，即獨(dú)立節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)備用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)與主數(shù)據(jù)庫(kù)保持同步。如果主節(jié)點(diǎn)失效，這些數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)制品之一將接替主節(jié)點(diǎn)的角色。雖然管理同步(和有可能發(fā)生的故障轉(zhuǎn)移)的過(guò)程和節(jié)點(diǎn)之間的通信會(huì)引起一些延時(shí)，但同步可以很快發(fā)生。當(dāng)復(fù)制品數(shù)量增加或節(jié)點(diǎn)間的物理距離增加時(shí)，性能成本也會(huì)增加?？梢杂貌煌膹?fù)制策略來(lái)管理延時(shí)。同步或“2-safe”復(fù)制方法要求數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)在復(fù)制節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)上同時(shí)完成，而異步或“1-safe”復(fù)制方法允許事務(wù)在復(fù)制節(jié)點(diǎn)上完成之前提交給主數(shù)據(jù)庫(kù)。異步方法提供更短的源保持時(shí)間，因此速度更快，但一致性和持久性差一些。

　　NVDIMMS：非易性RAM，無(wú)需電池

　　非易失性雙列直插式內(nèi)存模塊或NVDIMM的出現(xiàn)增加了針對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)持久性的一種新工具。NVDIMM采用標(biāo)準(zhǔn)記憶棒的形式，可插入現(xiàn)有的DIMM插座，因此簡(jiǎn)化了到現(xiàn)成平臺(tái)的集成。通常它們包含標(biāo)準(zhǔn)DRAM、NAND閃存和超級(jí)電容電源。在正常工作時(shí)，這種技術(shù)提供了高速DRAM的性能。當(dāng)發(fā)生斷電事件時(shí)，超級(jí)電容提供的瞬時(shí)電能可用來(lái)將主存內(nèi)容寫入NAND閃存芯片，實(shí)現(xiàn)永久保存。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，NVDIMM將NAND閃存中的數(shù)據(jù)恢復(fù)到DRAM中。

　　對(duì)于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，NVDIMM的作用與電池供電型RAM是類似的，但沒(méi)有后者所需的電池及其缺點(diǎn)。McObject公司以前就做過(guò)這方面的努力，其eXtremeDB內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以與電池供電型RAM一起工作。公司很想將使用NVDIMM的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為主要存儲(chǔ)器。目前有多家供應(yīng)商可以提供NVDIMM.我們使用AgigA Tech公司的產(chǎn)品對(duì)eXtremeDB進(jìn)行了測(cè)試，因?yàn)槲覀兎浅Ｊ煜gigA公司的母公司——賽普拉斯半導(dǎo)體。同時(shí)我們把測(cè)試僅限于AgigA的NVDIMM(比如沒(méi)有測(cè)試來(lái)自Viking Technology和Smart Modular Technologies公司的NVDIMM)，這主要是因?yàn)槲覀兊臅r(shí)間和資源非常有限。因此本文中提到的測(cè)試只是從概念上證明，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以與NVDIMM一起作為存儲(chǔ)器，達(dá)到與使用傳統(tǒng)DRAM相當(dāng)?shù)男阅?，并且能夠利用NVDIMM的恢復(fù)功能恢復(fù)由于系統(tǒng)故障“丟失的”內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　測(cè)試還解決了在同時(shí)要求低延時(shí)和數(shù)據(jù)可恢復(fù)性的應(yīng)用中使用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的另外一個(gè)問(wèn)題，即采用事務(wù)日志記錄的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在多大程度上能保持其性能優(yōu)于基于磁盤的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)?對(duì)于后面這些涉及永久存儲(chǔ)器(內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的事務(wù)日志存儲(chǔ)，以及在采用磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)情況下的整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù))的測(cè)試，存儲(chǔ)“設(shè)備”包含了用AGIGARAM NVDIMM配置的RAM盤。下面給出了使用RAM盤而不是傳統(tǒng)硬盤或固態(tài)硬盤的理由。[!--empirenews.page--]

　　測(cè)試中使用的AgigA Tech公司NVDIMM是設(shè)計(jì)用于Intel的Romley和Grantley平臺(tái)(采用Sandy Brdige、Ivy Bridge、Haswell和Broadwell處理器架構(gòu))的。McObject在Intel Oak Creek Canyon參考主板中使用了4GB AGIGARAM DDR3-1600 NVDIMM，以及Intel奔騰雙核CPU 1407 @ 2.8 GHz處理器和8GB的金士頓普通DDR3-1333 DRAM，運(yùn)行的是Debian Linux 2.6.32.5操作系統(tǒng)。

　　測(cè)試應(yīng)用程序執(zhí)行5次數(shù)據(jù)庫(kù)操作，每次循環(huán)構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)，并包含至少兩個(gè)操作實(shí)例(見(jiàn)圖2)。基準(zhǔn)應(yīng)用程序記錄在兩種數(shù)據(jù)庫(kù)類型中的每一個(gè)(磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和帶事務(wù)日志的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，或“IMDS+TL”)和兩種內(nèi)存(NVDIMM和傳統(tǒng)DRAM)情況下每毫秒完成的循環(huán)次數(shù)。測(cè)試應(yīng)用程序使用了eXtremeDB自己的C/C++應(yīng)用編程接口(API)。

　　圖2：測(cè)試應(yīng)用程序操作。

　　支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)的測(cè)試應(yīng)用程序代碼可以充分利用eXtremeDB功能，而這種功能原本是增加來(lái)用于支持電池供電型RAM作為存儲(chǔ)器。這種功能可以在系統(tǒng)重啟后重新連接到NVRAM管理的eXtremeDB數(shù)據(jù)庫(kù)，啟動(dòng)任何必需的清零工作，然后恢復(fù)正常工作。應(yīng)用程序的恢復(fù)算法假設(shè)分配作為MCO_MEMORY_ASSIGN_DATABASE的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存器件的內(nèi)存塊可以在應(yīng)用程序崩潰或電源故障之后重新使用，方法是用另外的標(biāo)志MCO_DB_OPEN_EXISTING重新打開它。

　　基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

　　從故障恢復(fù)是通過(guò)重啟測(cè)試系統(tǒng)中間執(zhí)行程序進(jìn)行測(cè)試的。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)后，測(cè)試程序自動(dòng)重新啟動(dòng)，訪問(wèn)前故障狀態(tài)的eXtremeDB數(shù)據(jù)庫(kù)(在恢復(fù)時(shí)，NVDIMM已經(jīng)將數(shù)據(jù)庫(kù)從閃存加載到DRAM)，檢查數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性并恢復(fù)操作，并從與系統(tǒng)重啟之前使用的相同NVDIMM存儲(chǔ)空間訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　在比較將NVDIMM用作主內(nèi)存的“pure”內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(沒(méi)有事務(wù)日志)和使用傳統(tǒng)DRAM的相同數(shù)據(jù)庫(kù)配置下速度的測(cè)試中，兩種存儲(chǔ)類型之間的任何差距都是可以忽略的。待測(cè)所有數(shù)據(jù)庫(kù)操作——插入、更新、刪除、索引搜索和表格遍歷——的性能差異都在所用測(cè)量技術(shù)的誤差范圍之內(nèi)。有人可能將這種等效性歸因于加載進(jìn)CPU緩存的完整數(shù)據(jù)庫(kù)，以及在那里發(fā)生而不是在DRAM或NVDIMM那里發(fā)生的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。然而，接近12MB的測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)尺寸大大超過(guò)5MB的CPU緩存大小，測(cè)試應(yīng)用程序則依靠隨機(jī)密鑰從數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找隨機(jī)頁(yè)。

　　剩余測(cè)試專注于事務(wù)日志對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)性能的影響。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)供應(yīng)商提供事務(wù)日志來(lái)減輕“pure”內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的易失性。然而，事務(wù)日志要求永久存儲(chǔ)(進(jìn)行記錄)，這會(huì)影響到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性能。正是出于這個(gè)理由，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)供應(yīng)商經(jīng)常被問(wèn)到，他們的產(chǎn)品性能在采用事務(wù)日志部署時(shí)是否仍然超過(guò)磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

　　上述測(cè)試力求回答這個(gè)問(wèn)題。用于永久存儲(chǔ)的“硬盤”實(shí)際上是一個(gè)將NVDIMM用作內(nèi)存的RAM盤(基于內(nèi)存的磁盤類存儲(chǔ)器)。這種做法一方面是想進(jìn)一步測(cè)試AgigA Tech公司的產(chǎn)品(也就是說(shuō)，為了確認(rèn)它是否能創(chuàng)建RAM盤，并有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能與它交互)，另一方面也是想證明采用事務(wù)日志的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)性能為何能夠超過(guò)磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

　　除了它們使用的存儲(chǔ)器件(磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用的是硬盤或固態(tài)硬盤，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用的是DRAM)外，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)還有很重要的區(qū)別。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)取消了緩沖管理、文件I/O和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)架構(gòu)中固有的其它開銷源。取消硬盤——代之以RAM盤——可以消除因存儲(chǔ)器件的物理操作引起的開銷，從而突出內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的流線型設(shè)計(jì)的延時(shí)效應(yīng)，它比磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)更為復(fù)雜的處理強(qiáng)得多。

　　測(cè)試表明，對(duì)于插入、更新和刪除操作來(lái)說(shuō)，采用事務(wù)日志的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)性能明顯超過(guò)傳統(tǒng)磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(同樣，兩者都使用RAM作為它們的“永久”存儲(chǔ))。圖3顯示了每種配置條件下單位為循環(huán)/毫秒的結(jié)果，以及通過(guò)IMDS+TL所表現(xiàn)出來(lái)的性能翻倍。舉例來(lái)說(shuō)，在數(shù)據(jù)庫(kù)刪除測(cè)試中，IMDS+TL要比磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)快12.77倍。圖3還顯示了關(guān)閉事務(wù)日志、讓eXtremeDB作為將NVDIMM用作主存的“pure”IMDS進(jìn)行操作的性能影響。

　　圖3：結(jié)果。

　　數(shù)據(jù)庫(kù)索引搜索和表格遍歷表明，在從磁盤上的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到IMDS+TL時(shí)，幾乎沒(méi)有性能上的變化。這種結(jié)果是在預(yù)料之中的，因?yàn)榕c插入、更新和刪除操作相比，這種數(shù)據(jù)庫(kù)“讀取”操作不會(huì)改變數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，在性能方面的成本通常低得多。

　　討論

　　NVDIMM在用作內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)器時(shí)可以匹配傳統(tǒng)DRAM的速度，同時(shí)提供完整的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)持久性。那么為什么還有人要用帶延時(shí)誘導(dǎo)事務(wù)日志的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)呢?這里有多種理由，包括成本，因?yàn)镚B規(guī)模的NVDIMM成本要大于DRAM;想要使用非Intel Romley和Grantley的平臺(tái);要求的數(shù)據(jù)庫(kù)大小(AgigA Tech公司的NVDIMM支持高達(dá)128GB的總內(nèi)存容量)。如上述數(shù)字所示，增加事務(wù)日志實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久性將降低內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性能，但I(xiàn)MDS+TL組合在插入、更新和刪除操作時(shí)仍能超越傳統(tǒng)磁盤型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的性能。

　　今后用戶會(huì)遇到的另外一個(gè)問(wèn)題是他們所選的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是否支持將NVDIMM用作主要內(nèi)存。如前所述，McObject的eXtremeDB內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括許多功能——在產(chǎn)品開發(fā)早期就加入的，用于支持與電池供電型RAM的交互——這些功能可以用NVDIMM平順地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。使用沒(méi)有這些功能的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可能導(dǎo)致更高的復(fù)雜性，并且在實(shí)現(xiàn)可工作的解決方案之前需要很大的開發(fā)和測(cè)試工作量。

　　另外值得注意的是，本文討論的數(shù)據(jù)庫(kù)持久性——也就是確保數(shù)據(jù)庫(kù)和所有提交的事務(wù)能在發(fā)生系統(tǒng)故障事件時(shí)得到恢復(fù)——有別于高可用性，或不停工操作的能力。雖然兩種技術(shù)都是想幫助數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)受住故障，但如前所述，高可用性通常是通過(guò)復(fù)制實(shí)現(xiàn)的，故障轉(zhuǎn)移時(shí)間單位是毫秒。相反，持久性——帶事務(wù)日志的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或?qū)VDIMM用作主存所能達(dá)到的——不保證消除停工時(shí)間。使用NVDIMM或事務(wù)日志進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)通常是自動(dòng)的，但兩者最有可能的使用場(chǎng)景是在意外的系統(tǒng)宕機(jī)之后，這意味著冷重啟(如重新啟動(dòng))這樣的時(shí)長(zhǎng)為分鐘級(jí)的過(guò)程。開發(fā)人員在考慮用這些技術(shù)克服易失性問(wèn)題時(shí)應(yīng)該理解數(shù)據(jù)庫(kù)高可用性和持久性之間的區(qū)別。