因為數據磁盤問題，最近進行了更換庫，所以決定寫關於這方面的專題的博客，博客信息參考的官方文檔。
一、分布式數據庫使用背景
隨着互聯網的飛速發展，業務量可能在短短的時間內爆發式地增長，對應的數據量可能快速地從幾百 GB 漲到幾百個 TB，傳統的單機數據庫提供的服務，在系統的可擴展性、性價比方面已經不再適用。比如MySQL數據庫，缺點是沒法做到水平擴展。MySQL 要想能做到水平擴展，唯一的方法就業務層的分庫分表或者使用中間件等方案。但是，這些中間層方案也有很大局限性，執行計划不是最優，分布式事務，跨節點 join，擴容復雜等。
二、分布式數據庫TiDB簡介
TiDB 是 PingCAP 公司設計的開源分布式 HTAP (Hybrid Transactional and Analytical Processing) 數據庫，結合了傳統的 RDBMS 和 NoSQL 的最佳特性。TiDB 兼容 MySQL，支持無限的水平擴展，具備強一致性和高可用性。TiDB 的目標是為 OLTP (Online Transactional Processing) 和 OLAP (Online Analytical Processing) 場景提供一站式的解決方案。。
TiDB 具備如下特性：
- 高度兼容 MySQL
大多數情況下，無需修改代碼即可從 MySQL 輕松遷移至 TiDB，分庫分表后的 MySQL 集群亦可通過 TiDB 工具進行實時遷移。
- 水平彈性擴展
通過簡單地增加新節點即可實現 TiDB 的水平擴展，按需擴展吞吐或存儲，輕松應對高並發、海量數據場景。
- 分布式事務
TiDB 100% 支持標准的 ACID 事務。
- 真正金融級高可用
相比於傳統主從 (M-S) 復制方案，基於 Raft 的多數派選舉協議可以提供金融級的 100% 數據強一致性保證，且在不丟失大多數副本的前提下，可以實現故障的自動恢復 (auto-failover)，無需人工介入。
- 一站式 HTAP 解決方案
TiDB 作為典型的 OLTP 行存數據庫，同時兼具強大的 OLAP 性能，配合 TiSpark，可提供一站式 HTAP 解決方案，一份存儲同時處理 OLTP & OLAP，無需傳統繁瑣的 ETL 過程。
- 雲原生 SQL 數據庫
TiDB 是為雲而設計的數據庫，支持公有雲、私有雲和混合雲，使部署、配置和維護變得十分簡單。
TiDB 的設計目標是 100% 的 OLTP 場景和 80% 的 OLAP 場景，更復雜的 OLAP 分析可以通過 TiSpark 項目來完成。
TiDB 對業務沒有任何侵入性，能優雅的替換傳統的數據庫中間件、數據庫分庫分表等 Sharding 方案。同時它也讓開發運維人員不用關注數據庫 Scale 的細節問題，專注於業務開發，極大的提升研發的生產力。
三、TiDB整體架構
要深入了解 TiDB 的水平擴展和高可用特點，首先需要了解 TiDB 的整體架構。
TiDB 集群主要分為三個組件：
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TiDB Server
TiDB Server 負責接收 SQL 請求，處理 SQL 相關的邏輯，並通過 PD 找到存儲計算所需數據的 TiKV 地址，與 TiKV 交互獲取數據，最終返回結果。 TiDB Server 是無狀態的，其本身並不存儲數據，只負責計算，可以無限水平擴展，可以通過負載均衡組件（如LVS、HAProxy 或 F5）對外提供統一的接入地址。
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PD Server
Placement Driver (簡稱 PD) 是整個集群的管理模塊，其主要工作有三個： 一是存儲集群的元信息（某個 Key 存儲在哪個 TiKV 節點）；二是對 TiKV 集群進行調度和負載均衡（如數據的遷移、Raft group leader 的遷移等）；三是分配全局唯一且遞增的事務 ID。
PD 是一個集群，需要部署奇數個節點，一般線上推薦至少部署 3 個節點。
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TiKV Server
TiKV Server 負責存儲數據，從外部看 TiKV 是一個分布式的提供事務的 Key-Value 存儲引擎。存儲數據的基本單位是 Region（區域），每個 Region 負責存儲一個 Key Range （從 StartKey 到 EndKey 的左閉右開區間）的數據，每個 TiKV 節點會負責多個 Region 。TiKV 使用 Raft 協議做復制，保持數據的一致性和容災。副本以 Region 為單位進行管理，不同節點上的多個 Region 構成一個 Raft Group，互為副本。數據在多個 TiKV 之間的負載均衡由 PD 調度，這里也是以 Region 為單位進行調度。
四、核心特性
- 水平擴展
無限水平擴展是 TiDB 的一大特點，這里說的水平擴展包括兩方面：計算能力和存儲能力。TiDB Server 負責處理 SQL 請求，隨着業務的增長，可以簡單的添加 TiDB Server 節點，提高整體的處理能力，提供更高的吞吐。TiKV 負責存儲數據，隨着數據量的增長，可以部署更多的 TiKV Server 節點解決數據 Scale 的問題。PD 會在 TiKV 節點之間以 Region 為單位做調度，將部分數據遷移到新加的節點上。所以在業務的早期，可以只部署少量的服務實例，隨着業務量的增長，按照需求添加 TiKV 或者 TiDB 實例。
- 高可用
高可用是 TiDB 的另一大特點，TiDB/TiKV/PD 這三個組件都能容忍部分實例失效，不影響整個集群的可用性。
五、TiDB原理與實現
TiDB 架構是 SQL 層和 KV 存儲層分離，相當於 InnoDB 插件存儲引擎與 MySQL 的關系。從下圖可以看出整個系統是高度分層的，最底層選用了當前比較流行的存儲引擎 RocksDB，RockDB 性能很好但是是單機的，為了保證高可用所以寫多份，上層使用 Raft 協議來保證單機失效后數據不丟失不出錯。保證有了比較安全的 KV 存儲的基礎上再去構建多版本，再去構建分布式事務，這樣就構成了存儲層 TiKV。有了TiKV，TiDB 層只需要實現 SQL 層，再加上 MySQL 協議的支持，應用程序就能像訪問 MySQL 那樣去訪問 TiDB 了。
