在9月22日举办的【墨天轮数据库沙龙第十期—国产中间件专场】中，SphereEx 解决方案专家 代野分享了Apache ShardingSphere：从中间件到分布式生态演进之路》主题演讲，本文为整理内容。
导读
而今，越来越多的国产数据库解决方案以分布式为支点，逐渐在此领域有所建树。Apache ShardingSphere 是其中的一个分布式数据库解决方案，也是目前 Apache 软件基金会中唯一的数据库中间件顶级项目。 【墨天轮数据库沙龙-中间件专场】邀请到SphereEx 解决方案专家代野，为大家带来《Apache ShardingSphere：从中间件到分布式生态演进之路》主题分享，以下为演讲实录。
代野——SphereEx 解决方案专家，ShardingSphere Contributor、OCM、RHCE
印象中间件
1、中间件的印象
中间件是什么？我搜集了大家对于中间件的常见印象标签，它们是否和你心中所想相匹配？
图1 中间件的常见标签
第一个标签是“分库分表”，一提到数据库中间件，有朋友会认为数据库中间件是做分库分表的，这也是选型阶段，长期与分布式数据库pk的方案。第二个标签是“Sharding”，即分库分表的另一种说法。在部分材料中提到分库分表方案会“对业务有入侵”，但这主要取决于业务情况。随着分布式数据库快速发展，这几年也有人把中间件的架构称为“过时架构”。除此之外，“互联网”也是数据库中间件的标签之一，Web 2.0的蓬勃发展给传统集中数据库带来扩展的能力。不仅如此，还有从产品角度对中间件定义标签：例如Cobar、Vitess、Mycat等等。
大家对于中间件有不同的印象与理解，不同的特色也是它的价值所在。在我看来，给下游数据库赋能，给上游应用程序提供更好的体验，都可以称之为数据库中间件。
2、分布式数据库分类
分布式数据库的解决方案是中间件应用最多的场景。2022年7月，国家工信信息安全发展研究中心发布了《分布式数据库发展趋势研究报告》。报告中提出，当前处在数据量增速非常大的阶段，传统数据库表现出了明显的瓶颈，很多用户会考虑向分布式数据库架构去靠拢，以解决计算以及存储瓶颈的问题。报告中把分布式数据库分为了三种路线：
- 分布式中间件+单机数据库。 这种路线是在单机数据库系统上进行改造，主要解决了计算和存储的扩展性的问题。按照两层来看，上一层分为无状态的计算节点，基于分片规则，提供SQL解析，具有请求转发和结果归并等能力。下一层为DBA所熟悉的单机数据库，提供单机数据库的存储和执行能力。这一层架构可以在逻辑层对数据进行切割，几乎是可以线性的提供计算和存储能力的扩展，达到规模化的扩展能力。
- 非对称计算节点+分布式存储。 它采用非对称节点解决扩展性问题。跨地域的数据一致性主要依赖于分布式的存储，共享存储还能够跨多个节点提供读写。上层计算的部分由无状态的一组节点来组成，当写节点出现故障，它会自动从可以读的节点中选举出一个节点作为写的节点，实现写能力的高可用。
- 原生分布式数据库。 它的各个节点提供对等的读写服务。这条路线是根据分布式一致性做底层设计，它和传统的数据库有本质性的区别。原生分布数据库可以将分布式存储、事务包括计算能力实现紧密结合。数据是由系统自动打散并存储为多个副本，通过一致性的协议保证多个副本以及事务之间实现一致性，对分布式事务和全局MVCC的支持更为彻底。
以上三种路线各自有哪些优势和不足，大家可以参考下图。
图2 《报告》对于三种路线的优劣势对比
中间件技术趋势
1、行业现状与趋势
随着各类业务的数据体量越来越大以及场景逐渐细化，数据库技术栈以及DBA路线也呈现出了多样性的发展。当前我们正处在一个数据库碎片化的趋势中，传统数据库管理、应用挑战严峻，催生数据库上层生态标准转型。架构选型困难、技术挑战众多、运维复杂度高、数据库间缺乏协作能力都是问题与挑战。
图3 数据库碎片化下的痛点与挑战
2、最优解：统一的数据平台中间件
基于以上提到的痛点，我们能否通过统一的数据平台来解决？基于数据库中间件的统一数据平台便是企业大数据时代的最优解。
在国产化进程中，业务系统对数据库有着很多的需求：基于现有单机数据库如何构建出一个分布式解决方案？如何能够实现可观察性？如何保证数据安全？如何满足不定期的由于业务变化而产生新的需求？这些需求其实在业务中来实现，只是需要不断地重构，也就是重复“造轮子”。那么将这些需求放入数据库中实现，难度更较高，尤其在协作方面，例如MySQL无法管理PG，反之PG也无法管理MySQL。
中间件架构则能够相对容易满足这些需求，它既开放又稳定，它不会颠覆数据库，反而是做更多的增强和连接。因此中间件相较于分布式数据库，并不是一个PK的概念，而是其在上层做增强。
图4 中间件架构满足不同的业务需求
开源生态
1、SphereEx 及产品发展历程
墨天轮社区中间中间件流行度排行榜中，Sharding-JDBC排在第二位，在数据库中间件中位于第一。其次是 ShardingSphere、SphereEx 、Sharding-Proxy以及Sharding-Sidecar 。
ShardingSphere是开源项目的名称，其中包括Sharding-JDBC的接入端和Sharding-Proxy接入端。Sharding-Sidecar定为是云原生数据库代理，是曾经规划的接入端。SphereEx是Apache ShardingSphere核心团队创立的公司，基于ShardingSphere内核为企业提供新一代分布式数据计算增强平台。
图5 SphereEx 及产品在中国中间件流行度中的排名
ShardingSphere最初的名字为Sharding-JDBC，这也是很多朋友习惯称它为Sharding-JDBC的原因。2015年在当当网上写下了ShardingSphere的第一行代码，它是为解决电商场景下分库分表的问题而诞生的一个组件。2016年Sharding-JDBC正式开源，2018年项目发生了较大的变化，在JDBC基础之上，推出了基于服务端的Proxy接入形态，项目也更名为 ShardingSphere。同年，它进入了Apache的孵化器。2020年，ShardingSphere项目毕业，成为了Apache顶级项目。2021年，SphereEx公司成立。
图6 ShardingSphere 发展历程
2、开源生态建设
作为Apache软件基金会的顶级项目，ShardingSphere在2021年代码提交量是整个基金会的Top 10，目前社区已经有400多位贡献者。
ShardingSphere项目在学术上表现不俗。今年上半年，在数据库三大顶会之一的ICDE发布了论文《A Holistic and Pluggable Platform for Data Sharding》。近期，我们在海外出版了《Apache ShardingSphere权威指南》。ShardingSphere也被收录至CNCF基金会中。生态建设方面，2022 年上半年，中国信通院联合Apache ShardingSphere 成立了金融用户社区，在快速发展中倾听更多金融用户的声音。
图7 开源项目概览
产品&解决方案
1、ShardingSphere设计哲学：Database Plus
首先，我将介绍一下ShardingSphere的设计哲学 —— Database Plus。它是一种分布式数据库系统的设计理念，旨在碎片化的异构数据库上层构建标准和生态，在最大限度地复用数据库原生存算能力的前提下，进一步提供面向全局的扩展和叠加计算能力，使应用和数据库间的交互面向 Database Plus 构建的标准，从而屏蔽数据库碎片化对上层业务带来的差异化影响。Database Plus具有连接、增强、可插拔三个特点：
- 连接。 我们希望通过这一层可以连接更多的数据库，比如在国产化替换过程中，能通过双引擎能力同时连接Oracle和信创库，实现数据库的双轨运行。然后通过中间层再逐步地切流，确保置换过程相对无感、无缝、低风险。
- 增强。 我们希望能够在各种数据库之上提供比如分布式的能力、加密等等这种增强的能力。
- 可插拔。 随着连接和增强能力不断的提升，中间的一层一定是越来越大。我们希望在扩展过程中能够做到可扩展、可收敛，保证中间层小而美、轻量化。
2、 ShardingSphere产品设计
根据 Database Plus 理念的指导，这部分将介绍工程化实现。
内核层中可见分布式相关的能力，功能层如数据分片、数据加密、弹性扩容、数据迁移等能力，对应的商业化产品为SphereEx-DBPlusEngine，即数据库增强引擎。下图左侧展现了可提供数据库的管理能力，通过中间件的平台层基于成熟单机产品构建出多种方案，为国产化替代做准备；协议上已实现MySQL和PG支持，此外还可与兼容MySQL和PG协议的国产数据库直接对接；语法方面，在Oracle、SQL Server可以兼容。
图8 DBPlusEngine 工程化面貌
为了让大家更了解产品架构设计，大家可以参考下方微内核架构设计图。从最核心的中间红色部分来看，这一层与数据库非常相似。我我们在核心部分加入了可插拔的实现扩展点，从内到外分别是微内核层、可插拔接口层，以及最外层的可插拔生态。微内核处理流程包括标准的 SQL Parser 和 SQL Binder 模块，这两个模块用于SQL具体特征的识别。
SQL Parser负责将用户发出的SQL转化为抽象语法树，并最终转化为提取必要特征的 SQL Statement。SQL Binder结合Metadata与SQL Statement，生成完整的且符合数据库表结构的抽象语法树，确定是否需要跨库执行，再根据其结果将流程分为简单下推引擎和SQL Federation引擎。当SQL可以经过逻辑表修改、执行信息补全等操作即可以全文下推至数据库存储节点时，它所使用的是左侧的简单下推引擎，以便保证SQL的最大兼容度；反之，当SQL需要跨节点和跨库子查询时，就需要走右侧的SQL Federation 引擎。
图9 ShardingSphere 微内核设计
3、 DBPlusEngine运维工具
接下来为大家介绍DBPlusEngine相关运维工具。
Boot 是快速构建 SphereEx-DBPlusEngine 集群的命令行工具，主要功能是对 SphereEx-DBPlusEngine 进行安装、启动、停止、查看运行状态、卸载等操作。
图10 DBPlusEngine运维工具：SphereEx-Boot
Console 是对 SphereEx 企业数据服务平台进行管理监控的可视化操作平台，提供更为易用的使用体验；同时，构建起以 SphereEx-DBPlusEngine 为核心的整体解决方案，包括针对资源、实例、插件等多种功能封装，为用户带来一站式的使用体验。
图11、12 DBPlusEngine运维工具：SphereEx-Console及部分监控页面
4、 DBPlusEngine 物理部署架构
DBPlusEngine物理部署架构有两种形态。如图，我们可以把最下面的Proxy当成数据库来使用，它对DBA友好，可以使用客户端直接访问，Proxy也可以对接多种开发语言的程序，比如Java、PHP等。
另外一种形态是Driver，它和Proxy内核是一样的，只不过外壳不一样。它比较适合于性能极致的场景，因为它靠近应用侧，到数据库少了网络一跳。同时也不需要单独再去采购服务器，就可以实现分布式的能力。这一部分就是对多种接入端选择的说明。我们当然可以混合使用这两种接入端，取各自优点，中间使用注册中心做元数据同步。
图13 ShardingSphere 物理部署架构
5、 ShardingSphere 性能优势与适用场景
下图展示了 ShardingSphere的极致性能优势。Sysbench点查场景中，数据库单点性能是4.8w的 QPS，通过中间件扩展后，底层使用5个数据库节点做了分片，整体吞吐量提升了4～5倍，呈线性增长。读写场景优势更明显。
我们今年联合openGauss社区进行了TPC-C测试，一共是16台鲲鹏设备，其中8台部署了openGauss，通过7个JDBC测出了1000万tpmC，现在我们也在做更进一步的优化提升。
图14 ShardingSphere 极致性能体现
6、 ShardingSphere 适用场景
- 海量存储数据分片。数据库容量达到单体瓶颈场景下，通过横向水平扩展，可以有效解决单体数据存储容量问题，并可实现平滑数据迁移。
- 异构数据计算。面临数据库碎片化现状，打通异构数据库计算壁垒，提供联邦查询计算能力。降低异构数据库使用成本，提升计算效率。
- 数据安全。面临日益严重数据安全问题，通过多维度的数据加密能力，解决数据存储安全问题；并通过完善的数据行为的审计能力。
- 大规模高并发。互联网化的核心场景下，数据库响应变慢等问题。提供弹性扩展能力，实时提升数据库响应和计算能力。
图15 ShardingSphere 适用场景
6、 ShardingSphere 解决方案
基于 SphereEx-DBPlusEngine 的可插拔架构底座，将分布式数据库的核心能力中，与企业业务贴近的垂直功能排列组合，在数据库替换，海量数据存储，高并发访问与数据安全存储等场景，提供对应的解决方案。
- 分布式数据库解决方案： 为解决原有方案的技术瓶颈，降低更换架构带来的复杂性风险，在不更换原有架构前提下，实现数据库同步，管理多个异构数据库集群，线性提升数据存储容量及并发吞吐。为用户提供基于数据分片，分布式事务、弹性伸缩的分布式数据库解决方案，兼具单机交易型数据库稳定性和分布式数据库的扩展能力。
图16 分布式数据库解决方案
- 数据安全解决方案： 为了防止数据泄露，保护数据安全，提供基于产品的数据加密和数据脱敏功能。在不改动原有代码的前提下，为企业提供跨平台、异构环境的数据安全解决方案。
图17 面向数据控制的解决方案：数据安全
图18 全链路压测解决方案
- 全链路压测解决方案： 基于内核的 SQL 解析能力，以及可插拔平台架构，实现压测数据与生产数据的隔离，帮助应用自动路由，支持全链路压测。帮助用户实现在生产环境进行压测，所获得较为准确地反映系统真实容量水平和性能的测试结果。
ShardingSphere 最佳实践
下面我们通过两个案例来了解ShardingSphere 的最佳实践：数据分片和异构双写。
1、案例一：千亿数据量级金融场景（分片场景）
这是目前已知最大规模使用ShardingSphere的案例。该场景中，ShardingSphere支撑了6400分片、超过 1000亿条交易记录。在早期业务规划阶段，已经考虑了它数据量比较大、并发比较高的情况，因此在业务代码中实现了数据分片逻辑。但随着业务不断迭代，研发人员需要不断的在分片的逻辑上耗费较多的精力。
基于这样的情况，我们采用了下图右侧中的架构模式，业务通过ShardingSphere-JDBC来完成数据Sharding，基于客户端的模式可以最大化地发挥性能，代理端Proxy为DBA提供维护入口。通过改造，系统的扩展性得到了极大地改善，更重要的是业务人员也可以更专注于业务研发。
图19 ShardingSphere 在京东白条中的实践（信创场景）
2、案例二：异构数据双写场景
在某国企信息系统替“O”改造中，客户的核心诉求是系统稳定，相比上线时间的deadline，切换过程的平滑、稳定和完善的回退机制是客户最为关注的。基于这样的要求，我们的解决方案如下：一是双轨运行，应用请求会通过Driver组件向异构库分发，从应用到数据库全流程打通，确保可回退；第二是要实现逐步的切流，即在正式切换前的一段时间，Oracle只做写备份，国产DB把所有的读流量都承担过来，各项指标满足要求后再考虑下线Oracle。
实施中，首先需要对异构库做一次存量数据迁移，当两端存量数据同步完成之后，开始启用DBPlusEngine的这一层的双写能力，以XA的方式去保证两端数据的一致性，整个流程均为在线完成。
中间层具备底层数据库节点角色的捕获能力，以此来确定信创库HA的状态。极端情况下，当信创库出现集群级别异常，XA会自动退化为local事务，当故障处理完毕后，重新追齐数据，再人工启用双写。ShardingSphere 通过自身强有力的异构数据双写能力，助力国产基础软件走好信创落地“最后一公里”。
图20 DBPlusEngine 在某国企信息系统中的实践
随着应用场景的多样化，ShardingSphere 正在被推向更广的应用平台以及更深的技术场景，在实践中持续验证并优化自身的能力，同各路合作伙伴一起打造标准化的数据生态服务体系。
图21 ShardingSphere 部分生态合作伙伴
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