內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，NVDIMM和數(shù)據(jù)持久性

 隨著從通信設備到航空裝備和工業(yè)控制器等技術中對數(shù)據(jù)管理需求的不斷增長，以及受到這些設備中不斷增加的板載CPU、RAM和存儲資源的推動，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)軟件在電子設備中越來越普及。設備上的數(shù)據(jù)庫規(guī)模大小不一，從幾個GB的數(shù)據(jù)到支持電信計費/信用系統(tǒng)的等級評定和余額管理應用，再到10GB以上的IP路由器的控制層數(shù)據(jù)庫以及100GB以上的電信呼叫路由數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)--曾經(jīng)與商業(yè)應用、臺式機和web應用幾乎完全關聯(lián)在一起--為了滿足當今電子設備的需求而經(jīng)過了長足的發(fā)展。設計師經(jīng)常采用的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(IMDS)是在主存中存儲記錄，因此可以消除許多延時源，比如通過硬連線接進數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的緩存和文件管理，這些源將數(shù)據(jù)永久存儲在硬盤或閃存中(下圖1顯示了這些延時源)。因此與傳統(tǒng)“硬盤上的”數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相比，內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的執(zhí)行速度可以快好幾個數(shù)量級。它們的設計也更簡單，可以最大限度地減少對CPU周期的需求，進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)庫系統(tǒng)中的延時源。

然而，易失性有時是一個使人擔心的因素。當發(fā)生斷電或系統(tǒng)故障時，主存中的內容將消失。一些應用可以容忍這種風險。例如，存儲在機頂盒中的基于RAM的電子節(jié)目指南在發(fā)生電源故障時會丟失，但利用有線電視頭端或衛(wèi)星接收機中的信息可以很快重建。然而，其它許多電子設備要求更高等級的數(shù)據(jù)庫持久性和可恢復性。舉例來說，一些醫(yī)療設備要求記錄隨時間變化的癥狀以支持臨床決策--這些數(shù)據(jù)在發(fā)生電源故障時不能突然消失。網(wǎng)絡路由器和交換機通常將配置數(shù)據(jù)永久地存儲在閃存中。將這種配置數(shù)據(jù)保存在內存中也是有意義的，可以實現(xiàn)更快的重啟--但數(shù)據(jù)需要是可恢復的。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安全設施，掃描儀需要將這些數(shù)據(jù)與存儲在設備上的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的生物特征數(shù)據(jù)進行匹配。如果訪問控制系統(tǒng)發(fā)生了故障，系統(tǒng)必須能夠很快恢復。

應用例子：內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和工業(yè)控制器

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

內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)易失性解決方案

解決這種易失性問題已有相應的解決方案。以電池供電RAM形式出現(xiàn)的非易失性內存可以在系統(tǒng)斷電時在DRAM芯片上保持數(shù)據(jù)不變，不過這種方法沒有得到廣泛普及，因為存在嚴格的溫度要求、漏電流風險、有限的電池使用壽命和其它缺點。

內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件本身可以提供數(shù)據(jù)持久性機制。舉例來說，借助事務日志功能，這種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以在日志文件中創(chuàng)建一條條事務記錄(對數(shù)據(jù)庫進行的一組修改必須作為一個整體完成或失敗)，在發(fā)生故障后這些記錄可以用來恢復數(shù)據(jù)庫。但記錄本身要求寫入永久存儲器，因此性能上會有些下降。

減輕易失性問題的另外一種內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能是數(shù)據(jù)庫復制，即獨立節(jié)點中的一個或多個備用內存數(shù)據(jù)庫與主數(shù)據(jù)庫保持同步。如果主節(jié)點失效，這些數(shù)據(jù)庫的復制品之一將接替主節(jié)點的角色。雖然管理同步(和有可能發(fā)生的故障轉移)的過程和節(jié)點之間的通信會引起一些延時，但同步可以很快發(fā)生。當復制品數(shù)量增加或節(jié)點間的物理距離增加時，性能成本也會增加?？梢杂貌煌膹椭撇呗詠砉芾硌訒r。同步或“2-safe”復制方法要求數(shù)據(jù)庫事務在復制節(jié)點和主節(jié)點上同時完成，而異步或“1-safe”復制方法允許事務在復制節(jié)點上完成之前提交給主數(shù)據(jù)庫。異步方法提供更短的源保持時間，因此速度更快，但一致性和持久性差一些。

NVDIMMS：非易性RAM，無需電池

非易失性雙列直插式內存模塊或NVDIMM的出現(xiàn)增加了針對內存數(shù)據(jù)庫持久性的一種新工具。NVDIMM采用標準記憶棒的形式，可插入現(xiàn)有的DIMM插座，因此簡化了到現(xiàn)成平臺的集成。通常它們包含標準DRAM、NAND閃存和超級電容電源。在正常工作時，這種技術提供了高速DRAM的性能。當發(fā)生斷電事件時，超級電容提供的瞬時電能可用來將主存內容寫入NAND閃存芯片，實現(xiàn)永久保存。當電源恢復時，NVDIMM將NAND閃存中的數(shù)據(jù)恢復到DRAM中。

對于內存數(shù)據(jù)庫來說，NVDIMM的作用與電池供電型RAM是類似的，但沒有后者所需的電池及其缺點。McObject公司以前就做過這方面的努力，其eXtremeDB內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以與電池供電型RAM一起工作。公司很想將使用NVDIMM的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為主要存儲器。目前有多家供應商可以提供NVDIMM。我們使用AgigA Tech公司的產品對eXtremeDB進行了測試，因為我們非常熟悉AgigA公司的母公司--賽普拉斯半導體。同時我們把測試僅限于AgigA的NVDIMM(比如沒有測試來自VikingTechnology和Smart Modular Technologies公司的NVDIMM)，這主要是因為我們的時間和資源非常有限。因此本文中提到的測試只是從概念上證明，內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以與NVDIMM一起作為存儲器，達到與使用傳統(tǒng)DRAM相當?shù)男阅埽⑶夷軌蚶肗VDIMM的恢復功能恢復由于系統(tǒng)故障“丟失的”內存數(shù)據(jù)庫。

測試還解決了在同時要求低延時和數(shù)據(jù)可恢復性的應用中使用內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時經(jīng)常出現(xiàn)的另外一個問題，即采用事務日志記錄的內存數(shù)據(jù)庫系統(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)庫管理系統(tǒng)?對于后面這些涉及永久存儲器 (內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的事務日志存儲，以及在采用磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)情況下的整個數(shù)據(jù)庫)的測試，存儲“設備”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。

測試中使用的AgigA Tech公司NVDIMM是設計用于Intel的Romley和Grantley平臺(采用Sandy Brdige、Ivy Bridge、Haswell和Broadwell處理器架構)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，運行的是Debian Linux 2.6.32.5操作系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

測試應用程序執(zhí)行5次數(shù)據(jù)庫操作，每次循環(huán)構成一個數(shù)據(jù)庫事務，并包含至少兩個操作實例(見圖2)?；鶞蕬贸绦蛴涗浽趦煞N數(shù)據(jù)庫類型中的每一個(磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和帶事務日志的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，或“IMDS+TL”)和兩種內存(NVDIMM和傳統(tǒng)DRAM)情況下每毫秒完成的循環(huán)次數(shù)。測試應用程序使用了eXtremeDB自己的C/C++應用編程接口(API)。

圖2:測試應用程序操作。

支持數(shù)據(jù)庫恢復的測試應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用于支持電池供電型RAM作為存儲器。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，啟動任何必需的清零工作，然后恢復正常工作。應用程序的恢復算法假設分配作為MCO_MEMORY_ASSIGN_DATABASE的數(shù)據(jù)庫內存器件的內存塊可以在應用程序崩潰或電源故障之后重新使用，方法是用另外的標志MCO_DB_OPEN_EXISTING重新打開它。

基準測試結果

從故障恢復是通過重啟測試系統(tǒng)中間執(zhí)行程序進行測試的。當系統(tǒng)恢復后，測試程序自動重新啟動，訪問前故障狀態(tài)的eXtremeDB數(shù)據(jù)庫(在恢復時，NVDIMM已經(jīng)將數(shù)據(jù)庫從閃存加載到DRAM)，檢查數(shù)據(jù)庫的一致性并恢復操作，并從與系統(tǒng)重啟之前使用的相同NVDIMM存儲空間訪問數(shù)據(jù)庫。

在比較將NVDIMM用作主內存的“pure”內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(沒有事務日志)和使用傳統(tǒng)DRAM的相同數(shù)據(jù)庫配置下速度的測試中，兩種存儲類型之間的任何差距都是可以忽略的。待測所有數(shù)據(jù)庫操作--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量技術的誤差范圍之內。有人可能將這種等效性歸因于加載進CPU緩存的完整數(shù)據(jù)庫，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。然而，接近12MB的測試數(shù)據(jù)庫尺寸大大超過5MB的CPU緩存大小，測試應用程序則依靠隨機密鑰從數(shù)據(jù)庫中尋找隨機頁。

剩余測試專注于事務日志對內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的影響。內存數(shù)據(jù)庫供應商提供事務日志來減輕“pure”內存數(shù)據(jù)存儲的易失性。然而，事務日志要求永久存儲(進行記錄)，這會影響到內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能。正是出于這個理由，內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)供應商經(jīng)常被問到，他們的產品性能在采用事務日志部署時是否仍然超過磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

上述測試力求回答這個問題。用于永久存儲的“硬盤”實際上是一個將NVDIMM用作內存的RAM盤(基于內存的磁盤類存儲器)。這種做法一方面是想進一步測試AgigA Tech公司的產品(也就是說，為了確認它是否能創(chuàng)建RAM盤，并有一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能與它交互)，另一方面也是想證明采用事務日志的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能為何能夠超過磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

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

測試表明，對于插入、更新和刪除操作來說，采用事務日志的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能明顯超過傳統(tǒng)磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(同樣，兩者都使用RAM作為它們的“永久”存儲)。圖3顯示了每種配置條件下單位為循環(huán)/毫秒的結果，以及通過IMDS+TL所表現(xiàn)出來的性能翻倍。舉例來說，在數(shù)據(jù)庫刪除測試中，IMDS+TL要比磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)快12.77倍。圖3還顯示了關閉事務日志、讓eXtremeDB作為將NVDIMM用作主存的“pure”IMDS進行操作的性能影響。

圖3:結果。

數(shù)據(jù)庫索引搜索和表格遍歷表明，在從磁盤上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)轉移到IMDS+TL時，幾乎沒有性能上的變化。這種結果是在預料之中的，因為與插入、更新和刪除操作相比，這種數(shù)據(jù)庫“讀取”操作不會改變數(shù)據(jù)庫內容，在性能方面的成本通常低得多。

討論

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

今后用戶會遇到的另外一個問題是他們所選的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是否支持將NVDIMM用作主要內存。如前所述，McObject的eXtremeDB內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括許多功能--在產品開發(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平順地恢復數(shù)據(jù)庫。使用沒有這些功能的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可能導致更高的復雜性，并且在實現(xiàn)可工作的解決方案之前需要很大的開發(fā)和測試工作量。

另外值得注意的是，本文討論的數(shù)據(jù)庫持久性--也就是確保數(shù)據(jù)庫和所有提交的事務能在發(fā)生系統(tǒng)故障事件時得到恢復--有別于高可用性，或不停工操作的能力。雖然兩種技術都是想幫助數(shù)據(jù)庫經(jīng)受住故障，但如前所述，高可用性通常是通過復制實現(xiàn)的，故障轉移時間單位是毫秒。相反，持久性--帶事務日志的內存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或將NVDIMM用作主存所能達到的--不保證消除停工時間。使用NVDIMM或事務日志進行數(shù)據(jù)庫恢復通常是自動的，但兩者最有可能的使用場景是在意外的系統(tǒng)宕機之后，這意味著冷重啟(如重新啟動)這樣的時長為分鐘級的過程。開發(fā)人員在考慮用這些技術克服易失性問題時應該理解數(shù)據(jù)庫高可用性和持久性之間的區(qū)別。[!--empirenews.page--]