梦见找不到回家的路
阿里妹导读：X-Engine 是集团数据库事业部研发的新一代存储引擎，也是新一代分布式数据库X-DB的根基。在线事务处理的数据库存储引擎中，如何有效率的回收多版本的旧数据一直是一个难题，尤其在write intensive的应用中，事务处理无可避免受到后台任务的干扰(compaction or vacuum)，引入异构计算设备来offloading这些任务的想法由来已久，但是真正想要应用起来确有难度。
今天，我们将为大家详细介绍带有FPGA加速的X-Engine存储引擎。这篇文章不仅仅讲述如何设计并实现出更高效的FPGA逻辑，还有如何提升I/O，做好混合负载调度、容错等。平稳二字，看似波澜不惊，实则暗藏巨浪。
X-Engine 是集团数据库事业部研发的新一代存储引擎，是新一代分布式数据库X-DB的根基。为了达到10倍MySQL性能，1/10存储成本的目标，X-DB从一开始就使用了软硬件结合的设计思， 以充分发挥当前软件和硬件领域最前沿的技术优势。而引入FPGA加速是我们在定制计算领域做出的第一个尝试。目前FPGA加速版本的X-DB已经在线上开始小规模灰度，在今年6.18，双11大促中，FPGA将助力X-DB， 将在不增加成本的前提下，满足阿里业务对数据库更高的性能要求。
作为世界上最大的在线交易网站，阿里巴巴的 OLTP （online transaction processing） 数据库系统需要满足高吞吐的业务需求。根据统计，每天 OLTP 数据库系统的记录写入量达到了几十亿，在2017年的双十一，系统的峰值吞吐达到了千万级TPS (transactions per second)。阿里巴巴的业务数据库系统主要有以下几个特点：
写操作占比相对较高，传统的数据库workload，读写比一般在 10:1 以上，而阿里巴巴的交易系统，在双十一当天读写比达到了 3:1；
数据访问热点比较集中，一条新写入的数据，在接下来7天内的访问次数占整体访问次数的99%，超过7天之后的被访问概率极低。
为了满足阿里的业务对性能和成本近乎苛刻的要求，我们重新设计开发了一个存储引擎称为X-Engine。在X-Engine中，我们引入了诸多数据库领域的前沿技术，包括高效的内存索引结构，写入异步流水线处理机制，内存数据库中使用的乐观并发控制等。
为了达到极致的写性能水平，并且方便分离冷热数据以实现分层存储，X-Engine借鉴了LSM-Tree的设计思想。其在内存中会多个 memtable，所有新写入的数据都会追加到 memtable ，而不是直接替换掉现有的记录。由于需要存储的数据量较大，将所有数据存储在内存中是不可能的。
当内存中的数据达到一定量之后，会flush到持久化存储中形成 SSTable。为了降低读操作的延时，X-Engine通过调度 compaction 任务来定期 compact持久化存储中的 SSTable，merge多个 SSTable 中的键值对，对于多版本的键值对只保留最新的一个版本（所有当前被事务引用的键值对版本也需要保留）。
根据数据访问的特点，X-Engine会将持久化数据分层，较为活跃的数据停留在较高的数据层，而相对不活跃(访问较少)的数据将会与底层数据进行合并，并存放在底层数据中，这些底层数据采用高度压缩的方式存储，并且会迁移到在容量较大，相对廉价的存储介质 (比如SATA HDD) 中，达到使用较低成本存储大量数据的目的。
如此分层存储带来一个新的问题：即整个系统必须频繁的进行compaction，写入量越大，Compaction的过程越频繁。而compaction是一个compare & merge的过程，非常消耗CPU和存储IO，在高吞吐的写入情形下，大量的compaction操作占用大量系统资源，必然带来整个系统性能断崖式下跌，对应用系统产生巨大影响。
而完全重新设计开发的X-Engine有着非常优越的多核扩展性，能达到非常高的性能，仅仅前台事务处理就几乎能完全消耗所有的CPU资源，其对资源的使用效率对比InnoDB,如下图所示：
在如此性能水平下，系统没有多余的计算资源进行compaction操作，否则将承受性能下跌的代价。
经测试，在 DbBench benchmark 的 write-only 场景下，系统会发生周期性的性能抖动，在 compaction 发生时，系统性能下跌超过40%，当 compaction 结束时，系统性能又恢复到正常水位。如下图所示：
为了解决 compaction 的抖动问题，学术界提出了诸如 VT-tree、bLSM、PE、PCP、dCompaction 等结构。尽管这些算法通过不同方法优化了 compaction 性能，但是 compaction 本身消耗的 CPU 资源是无法避免的。据相关研究统计，在使用SSD存储设备时，系统中compaction的计算操作占据了60%的计算资源。因此，无论在软件层面针对 compaction 做了何种优化，对于所有基于 LSM-tree 的存储引擎而言，compaction造成的性能抖动都会是阿喀琉斯之踵。
幸运的是，专用硬件的出现为解决compaction导致的性能抖动提供了一个新的思。实际上，使用专用硬件解决传统数据库的性能瓶颈已经成为了一个趋势，目前数据库中的select、where操作已经offload到FPGA上，而更为复杂的 group by 等操作也进行了相关的研究。但是目前的FPGA加速解决方案存在以下两点不足：
目前的加速方案基本上都是为SQL层设计，FPGA也通常放置在存储和host之间作为一个filter。虽然在FPGA加速OLAP系统方面已经有了许多尝试，但是对于OLTP系统而言，FPGA加速的设计仍然是一个挑战；
随着FPGA的芯片尺寸越来越小，FPGA内部的错误诸如单粒子翻转（SEU）正在成为FPGA可靠性的越来越大的，对于单一芯片而言，发生内部错误的概率大概是3-5年，对于大规模的可用性系统，容错机制的设计显得尤为重要。
为了缓解compaction对X-Engine系统性能的影响，我们引入了异构硬件设备FPGA来代替CPU完成compaction操作，使系统整体性能维持在高水位并避免抖动，是存储引擎得以服务业务苛刻要求的关键。本文的贡献如下：
混合存储引擎的异步调度逻辑设计。由于一次FPGA compaction的链请求在ms级别，使用传统的同步调度方式会阻塞大量的compaction线程并且带来很多线程切换的代价。通过异步调度，我们减少了线程切换的代价，提高了系统在工程方面的可用性。
容错机制的设计。由于输入数据的和FPGA内部错误，都会造成某个compaction 任务的回滚，为了数据的完整性，所有被FPGA回滚的任务都会由同等的CPU compaction线程再次执行。本文设计的容错机制达到了阿里实际的业务需求并且同时规避了FPGA内部的不稳定性。
X-Engine的存储结构包含了一个或多个内存缓冲区 （memtable）以及多层持久化存储 L0, L1, ... ，每一层由多个SSTable组成。
当memtable写满后，会为 immutable memtable，然后为SSTable flush到L0层。每一个SSTable包含多个data block和一个用来索引data block的index block。当L0层文件个数超过了，就会触发和L1层有重叠key range的SSTable的合并，这个过程就叫做compaction。类似的，当一层的SSTable个数超过了阈值都会触发和下层数据的合并，通过这种方式，冷数据不断向动，而热数据则驻留在较高层上。
对于读操作而言，X-Engine需要从所有的memtable中查找，如果没有找到，则需要在持久化存储中从高层向底层查找。因此，及时的compaction操作不仅会缩短读径，也会节省存储空间，但是会抢夺系统的计算资源，造成性能抖动，这是X-Engien亟待解决的困境。
从现在的FPGA加速数据库现状分析，我们可以将FPGA加速数据库的架构分为两种，bump-in-the-wire 设计和混合设计架构。前期由于FPGA板卡的内存资源不够，前一种架构方式比较流行，FPGA被放置在存储和host的数据径上，充当一个filter，这样设计的好处是数据的零拷贝，但是要求加速的操作是流式处理的一部分，设计方式不够灵活；
后一种设计方案则将FPGA当做一个协处理器，FPGA通过PCIe和host连接，数据通过DMA的方式进行传输，只要offload的操作计算足够密集，数据传输的代价是可以接受的。混合架构的设计允许更为灵活的offload方式，对于compaction这一复杂操作而言，FPGA和host之间数据的传输是必须的，所以在X-Engine中，我们的硬件加速采用了混合设计的架构。
在传统的基于LSM-tree的存储引擎中，CPU不仅要处理正常的用户请求，还要负责compaction任务的调度和执行，即对于compaction任务而言，CPU既是生产者，也是消费者，对于CPU-FPGA混合存储引擎而言，CPU只负责compaction任务的生产和调度，而compaction任务的实际执行，则被offload到专用硬件（FPGA）上。
Decoder. 在X-Engine中，KV是经过前序压缩编码后存储在data block中的，Decoder模块的主要作用是为了解码键值对。每一个CU内部放置了4个Decoder，CU最多支持4的compaction，多余4的compaction任务需要CPU进行拆分，根据评估，大部分的compaction都在4以下。放置4个Decoder同样也是性能和硬件资源权衡的结果，和2个Decoder相比，我们增加了50%的硬件资源消耗，获得了3倍的性能提升。
一个compaction过程包含三个步骤：decode，merge，encode。设计一个合适的compaction 流水线的最大挑战在于每一个步骤的执行时间差距很大。比如说由于并行化的原因，decode模块的吞吐远高于encoder模块，因此，我们需要暂停某些执行较快的模块，等待流水线的下游模块。为了匹配流水线中各个模块的吞吐差异，我们设计了controller模块去协调流水线中的不同步骤，这样设计带来的一个额外好处是解耦了流水线设计的各个模块，在工程实现中实现更敏捷的开发和。
随着key长度的增长，FPGA compaction的吞吐降低，这是由于需要比较的字节长度增加，增加了比较的代价；
加速比（FPGA throughput / CPU throughput）随着value长度的增加而增加，这是由于在KV长度较短时，各个模块之间需要频繁进行通信和状态检查，而这种开销和普通的流水线操作相比常昂贵的。
由于FPGA的一次链请求在ms级别，因此使用传统的同步调度方式会造成较频繁的线程切换代价，针对FPGA的特点，我们重新设计了异步调度compaction的方式：CPU负责构建compaction task并将其压入Task Queue队列，通过一个线程池来分配compaction task到指定的CU上，当compaction结束后，compaction任务会被压入到Finished Queue队列，CPU会检查任务执行的状态，对于执行失败的任务会调度CPU的compaction线程再次执行。通过异步调度，CPU的线程切换代价大大减少。
数据在传输过程中被损坏，通过在传输前和传输后分别计算数据的CRC值，然后进行比对，如果两个CRC值不一致，则表明数据被损坏；
FPGA本身的错误（比特位翻转），为了解决这个错误，我们为每一个CU配置了一个附加CU，两个CU的计算结果进行按位比对，不一致则说明发生了比特位翻转错误；
compaction输入数据不，为了方便FPGA compaction的设计，我们对KV的长度进行了，超过的compaction任务都会被判定为非法任务。
对于所有出错的任务，CPU都会进行再次计算，确保数据的正确性。在上述的容错机制的下，我们解决了少量的超过的compaction任务并且规避了FPGA内部错误的风险。
由于FPGA compaction吞吐更高，更及时，因此读径减少的更快，因此在读写混合的场景下X-Engine-FPGA的吞吐提高了50%；
读写混合场景的吞吐小于纯写场景，由于读操作的存在，存储在持久层的数据也会被访问，这就带来了I/O开销，从而影响了整体的吞吐性能；
两种性能曲线代表了两种不同的compaction状态，在左图，系统性能发生周期性的抖动，这说明compaction操作在和正常事务处理的线程竞争CPU资源；对于右图，X-Engine-CPU的性能一直稳定在低水位，表明compaction的速度小于写入速度，导致SSTable堆积，compaction任务持续在后台调度；
由于compaction的调度仍然由CPU执行，这也就解释了X-Engine-FPGA仍然存在抖动，并不是绝对的平滑。
check unique的存在引入了读操作，随着压测时间的增长，读径变长，因此两个存储引擎的性能随着时间下降；
在write-only场景下，X-Engine-FPGA的吞吐提高了40%，随着读写比的上升，FPGA Compaction的加速效果逐渐降低，这是因为读写比越高，写入压力越小，SSTable堆积的速度越慢，因此执行compaction的线程数减少，因此对于写密集的workload，X-Engine-FPGA的性能提升越明显；
随着读写比的上升，吞吐上升，由于写吞吐小于KV接口，因此cache miss的比例较低，避免了频繁的I/O操作，而随着写比例的上升，执行compaction线程数增加，因此降低了系统的吞吐能力。
通过FPGA加速，随着连接数从128增加到1024，X-Engine-FPGA可以得到10%~15%的性能提升。当连接数增加时，两个系统的吞吐都逐渐降低，原因在于随着连接数增多，热点行的锁竞争增加；
TPC-C的读写比是1.8：1，从实验过程来看，在TPC-C benchmark下，80%以上的CPU都消耗在SQL解析和热点行的锁竞争上，实际的写入压力不会太大，通过实验观测，对于X-Engine-CPU系统，执行compaction操作的线核心），因此，FPGA的加速效果不如前几个实现明显。
X-Engine-FPGA提高了40%以上的吞吐性能，由于SQL解析消耗了大量的CPU资源，DBMS的吞吐要小于KV接口；
X-Engine-CPU在低水位达到了平衡，原因在于compaction的速度小于写入速度，导致SST文件堆积，compaction持续被调度；
X-Engine-CPU的性能两倍于InnoDB，证明了基于LSM-tree的存储引擎在写密集场景下的优势；
和TPC-C benchmark相比，Sysbench更类似阿里的实际交易场景，对于交易系统而言，查询的类型大部分是插入和简单的点查询，很少涉及范围查询，热点行冲突的减少使得SQL层消耗的资源减少。在实验过程中，我们观测到对于X-Engine-CPU而言，超过15个线程都在执行compaction，因此FPGA加速带来的性能提升更加明显。
在本文中，我们提出的带有FPGA加速的X-Engine存储引擎，对于KV接口有着50%的性能提升，对于SQL接口获得了40%的性能提升。随着读写比的降低，FPGA加速的效果越明显，这也说明了FPGA compaction加速适用于写密集的workload，这和LSM-tree的设计初衷是一致的，另外，我们通过设计容错机制来规避FPGA本身的缺陷，最终形成了一个适用于阿里实际业务的高可用的CPU-FPGA混合存储引擎。
此项目是X-DB引入异构计算设备，以加速数据库核心功能的第一个落地项目。从使用经验来看，FPGA能完全解决X-Engine的Compaction带来的计算需求。同时我们也在进一步研究将更多合适的计算任务调度到FPGA上运行，如压缩，生成BloomFilter，SQL JOIN算子等。目前压缩功能开发基本完毕，将会和Compaction做成一套IP，同步完成数据合并和压缩操作。
X-DB FPGA-Compaction硬件加速，是数据库事业部数据库内核团队，服务器研发事业部定制计算团队，浙江大学三方合作完成的一个研发项目。同时此项目的落地也有赖Xilinx公司技术团队的大力支持，在此一并表示感谢。
X-DB将在今年上线阿里云进行公测，大家可以体验到FPGA加速给X-DB带来的极致性能，也期待大家的宝贵。返回搜狐，查看更多
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