MySQL高级讲座篇之：探讨MySQL的`Shared Storage`架构：`RDS`、`Aurora`等云数据库的实现原理。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL高级讲座：Shared Storage架构 – 云数据库背后的秘密

大家好！我是老张，今天咱们来聊聊MySQL在云上的那些事儿，特别是云数据库的核心秘密——Shared Storage架构。别觉得名字听着高大上，其实就是把数据集中存起来，让多个MySQL实例共享着玩儿。就像咱们合租房子，厨房和客厅是大家共用的，但每个人有自己的卧室一样。

开场：单机MySQL的局限性

先说点大家都懂的。以前咱们玩MySQL，都是单机模式，数据和MySQL服务都在一台机器上。这种模式简单直接，但问题也来了：

扩展性差： 磁盘空间不够了？CPU跑满了？只能升级服务器，搞“垂直扩展”（Scale Up），成本高，而且总有上限。
可靠性低： 机器挂了，整个数据库就歇菜了。虽然可以搞主从复制，但切换慢，数据一致性也难保证。
维护麻烦： 升级、备份、恢复，每次都得停机，影响业务。

所以，为了解决这些问题，大佬们就想出了Shared Storage架构。

什么是Shared Storage？

简单来说，Shared Storage就是把数据存储和计算分离。数据不再直接存在MySQL实例所在的机器上，而是放到一个共享的存储系统中，多个MySQL实例可以同时访问和修改这些数据。

Shared Storage架构图

（别在意，上面说了不放图片，这是为了方便你理解，脑补一下画面）

想象一下，把数据比作一堆金币，以前每个MySQL实例都自己有一堆金币，要扩展就得增加金币数量或者换个更大的箱子。现在，所有MySQL实例都共享一个巨大的金库（Shared Storage），需要多少金币就从金库里拿，用完了再放回去。

Shared Storage 的核心特点：

数据持久化层： 数据最终存储的地方，通常是高性能、高可用的分布式存储系统。
计算层： 运行MySQL实例的地方，只负责处理SQL请求，不存储数据。
网络连接： 计算层通过高速网络连接到存储层，实现数据的读写。

Shared Storage的优势

用了Shared Storage架构，那好处可就多了：

弹性伸缩： 可以随时增加或减少MySQL实例，而不用担心数据迁移的问题，实现“水平扩展”（Scale Out）。
高可用性： 某个MySQL实例挂了，其他实例可以立即接管，保证服务不中断。
简化运维： 数据集中管理，备份、恢复、升级都方便多了。
降低成本： 资源利用率更高，可以节省硬件成本。

Shared Storage的实现方式

实现Shared Storage架构，有很多种方式，常见的有以下几种：

网络文件系统（NFS）： 最简单的方式，但性能和可靠性有限，不适合生产环境。
分布式文件系统（HDFS）： 适合大数据场景，但不适合MySQL这种事务型应用。
块存储（Block Storage）： 将存储设备虚拟成一块块的磁盘，通过网络提供给MySQL实例使用。性能较好，但需要自己管理文件系统。
对象存储（Object Storage）： 将数据存储为对象，通过HTTP API访问。适合存储非结构化数据，不适合MySQL。
云厂商的自研存储系统： 例如AWS的EBS、阿里云的盘古、腾讯云的CBS等。这些存储系统通常针对云环境进行了优化，性能、可靠性、安全性都非常好，是云数据库的首选。

RDS 和 Aurora：Shared Storage的实践者

RDS（Relational Database Service）和 Aurora是云厂商提供的两种常见的MySQL云数据库服务。它们都采用了Shared Storage架构，但实现方式有所不同。

RDS (Relational Database Service)

RDS可以理解为云厂商帮你托管的MySQL服务。它提供了多种存储类型，包括：

本地SSD： 性能最好，但数据可靠性依赖于单台机器。
通用型SSD： 性能和价格适中，适合大多数应用。
预置IOPS SSD： 适合对IO性能要求非常高的应用。
磁性硬盘： 价格最低，但性能较差，不推荐使用。

RDS的Shared Storage架构，通常是基于块存储实现的。云厂商会提供高可用的存储集群，保证数据的可靠性。

RDS 架构示意图：

+---------------------+    +---------------------+    +---------------------+
|  RDS MySQL Instance  |    |  RDS MySQL Instance  |    |  RDS MySQL Instance  |
+---------------------+    +---------------------+    +---------------------+
         |                      |                      |
         |                      |                      |
+-------------------------------------------------------+
|                高可用块存储集群 (EBS/盘古/CBS)               |
+-------------------------------------------------------+

RDS 的特点：

兼容性好： 和原生的MySQL几乎完全兼容，迁移成本低。
易于使用： 云厂商提供了完善的管理界面和API，方便运维。
成熟稳定： 经过了大规模的验证，可靠性高。

RDS 的局限：

性能优化空间有限： 存储层的优化受到限制。
成本相对较高： 毕竟是托管服务，要支付一定的服务费。

Aurora

Aurora是AWS自研的MySQL兼容数据库，也是Shared Storage架构的集大成者。它在Shared Storage方面做了很多创新，性能和可靠性都远超RDS。

Aurora 的核心技术：

Log-Structured Storage： Aurora 将数据存储为日志序列，而不是传统的B树结构。这样可以避免随机IO，提高写入性能。
Quorum Commit： Aurora 采用Quorum机制，只有当数据写入到多个存储节点后才认为提交成功。这样可以保证数据的高可靠性。
计算和存储分离： Aurora 将计算和存储完全分离，可以独立扩展。
存储层的并行查询： Aurora 可以将查询下推到存储层执行，减少数据传输，提高查询性能。

Aurora 架构示意图：

+---------------------+    +---------------------+    +---------------------+
| Aurora MySQL Instance|    | Aurora MySQL Instance|    | Aurora MySQL Instance|
+---------------------+    +---------------------+    +---------------------+
         |                      |                      |
         |                      |                      |
+-------------------------------------------------------+
|                Aurora Shared Storage (Log-Structured)                |
+-------------------------------------------------------+

Aurora 的特点：

高性能： 读性能是MySQL的5倍，写性能是MySQL的3倍。
高可用性： 可以容忍多个存储节点故障。
自动扩展： 可以根据负载自动扩展存储容量。
低成本： 虽然性能更高，但总成本可能比RDS更低。

Aurora 的局限：

兼容性： 虽然兼容MySQL，但仍然有一些不兼容的地方。
生态系统： Aurora 的生态系统不如MySQL完善。
厂商锁定： 目前只能在AWS上使用。

RDS和Aurora的对比

特性	RDS	Aurora
存储架构	基于块存储 (EBS/盘古/CBS)	Log-Structured Shared Storage
性能	较好	极佳 (读5倍, 写3倍)
可靠性	高	非常高
扩展性	较好	极佳
兼容性	几乎完全兼容MySQL	大部分兼容MySQL
成本	相对较高	可能更低
适用场景	大多数MySQL应用	对性能和可靠性要求高的应用
厂商锁定	无	有 (AWS)

代码示例：连接RDS和Aurora

连接RDS和Aurora，和连接普通的MySQL数据库没什么区别。只需要修改连接字符串即可。

Python示例：

import pymysql

# RDS 连接信息
rds_host = "your_rds_host"
rds_port = 3306
rds_user = "your_rds_user"
rds_password = "your_rds_password"
rds_database = "your_rds_database"

# Aurora 连接信息
aurora_host = "your_aurora_host"
aurora_port = 3306
aurora_user = "your_aurora_user"
aurora_password = "your_aurora_password"
aurora_database = "your_aurora_database"

try:
    # 连接 RDS
    rds_conn = pymysql.connect(host=rds_host, port=rds_port, user=rds_user,
                               password=rds_password, database=rds_database)
    rds_cursor = rds_conn.cursor()
    rds_cursor.execute("SELECT VERSION()")
    rds_data = rds_cursor.fetchone()
    print("RDS 版本:", rds_data)

    # 连接 Aurora
    aurora_conn = pymysql.connect(host=aurora_host, port=aurora_port, user=aurora_user,
                                  password=aurora_password, database=aurora_database)
    aurora_cursor = aurora_conn.cursor()
    aurora_cursor.execute("SELECT VERSION()")
    aurora_data = aurora_cursor.fetchone()
    print("Aurora 版本:", aurora_data)

except pymysql.MySQLError as e:
    print("连接失败:", e)

finally:
    # 关闭连接
    if rds_conn:
        rds_conn.close()
    if aurora_conn:
        aurora_conn.close()

Java示例：

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Statement;

public class MySQLConnection {

    public static void main(String[] args) {

        // RDS 连接信息
        String rds_host = "your_rds_host";
        int rds_port = 3306;
        String rds_user = "your_rds_user";
        String rds_password = "your_rds_password";
        String rds_database = "your_rds_database";

        // Aurora 连接信息
        String aurora_host = "your_aurora_host";
        int aurora_port = 3306;
        String aurora_user = "your_aurora_user";
        String aurora_password = "your_aurora_password";
        String aurora_database = "your_aurora_database";

        try {
            // 连接 RDS
            String rds_url = "jdbc:mysql://" + rds_host + ":" + rds_port + "/" + rds_database;
            Connection rds_conn = DriverManager.getConnection(rds_url, rds_user, rds_password);
            Statement rds_stmt = rds_conn.createStatement();
            ResultSet rds_rs = rds_stmt.executeQuery("SELECT VERSION()");
            if (rds_rs.next()) {
                System.out.println("RDS 版本: " + rds_rs.getString(1));
            }

            // 连接 Aurora
            String aurora_url = "jdbc:mysql://" + aurora_host + ":" + aurora_port + "/" + aurora_database;
            Connection aurora_conn = DriverManager.getConnection(aurora_url, aurora_user, aurora_password);
            Statement aurora_stmt = aurora_conn.createStatement();
            ResultSet aurora_rs = aurora_stmt.executeQuery("SELECT VERSION()");
            if (aurora_rs.next()) {
                System.out.println("Aurora 版本: " + aurora_rs.getString(1));
            }

        } catch (SQLException e) {
            System.out.println("连接失败: " + e.getMessage());
        }
    }
}

注意：

替换代码中的 your_rds_host、your_rds_user、your_rds_password、your_rds_database、your_aurora_host、your_aurora_user、your_aurora_password、your_aurora_database 为你实际的连接信息。
确保你的代码中包含了MySQL的JDBC驱动或者PyMySQL库。

Shared Storage的挑战

Shared Storage架构虽然好处多多，但也不是没有挑战：

网络延迟： 计算层和存储层之间的数据传输需要通过网络，会引入一定的延迟。
存储系统的复杂性： 分布式存储系统本身就比较复杂，需要专业的运维团队来维护。
数据一致性： 多个MySQL实例同时访问和修改数据，需要保证数据的一致性。
安全： 要确保存储系统的安全性，防止数据泄露。

如何选择？

选择RDS还是Aurora，需要根据你的实际需求来决定：

如果你的应用对性能要求不高，但对兼容性要求很高，而且预算有限，那么RDS可能更适合你。
如果你的应用对性能和可靠性要求非常高，而且不介意一定的兼容性问题，那么Aurora可能更适合你。

总结

Shared Storage架构是云数据库的核心技术之一。它通过将数据存储和计算分离，实现了弹性伸缩、高可用性和简化运维等优点。 RDS和Aurora是两种常见的MySQL云数据库服务，它们都采用了Shared Storage架构，但实现方式有所不同。选择哪种服务，需要根据你的实际需求来决定。

今天就先聊到这里，希望大家对Shared Storage架构有了更深入的了解。记住，技术是为业务服务的，选择最适合你的方案才是最重要的。下次有机会再和大家聊聊MySQL的其他高级特性。谢谢大家！