Youtube 都在用的 Cloud Spanner 到底是“何方神圣”

数据库是应用程序运行过程中至关重要的一部分，Cloud Spanner 作为唯一一个企业级、全球分布和强一致性的企业级数据库服务，将关系数据库结构的优点与非关系型数据库的规模完美结合。更独特的是，Spanner 通常将事务、SQL 查询和关系结构与非关系或 NoSQL 数据库的可伸缩性相结合。

（图 1）

Cloud Spanner 是如何工作的？

在图1中，可以看到一个四节点区域云 Spanner 实例，该实例托管两个数据库。节点是 Cloud Spanner 计算的量度标准。节点服务器提供读取和写入/提交事务请求，但它们不存储数据。每个节点在该区域的三个区域进行复制，数据库存储也在三个区域中复制。区域中的节点负责对其区域中的存储进行读写。数据存储在谷歌基础的巨像分布式复制文件系统中，当涉及到重新分配负载时，可提供巨大的优势，因为数据不链接到单个节点。如果一个节点或数据库发生故障，数据库仍然可用，由剩余的节点提供服务，无需手动干预来保持可用性。

Spanner 如何提供高可用性和可扩展性？

数据库中的每个表都按照主键排序存储，按主键的范围划分，即拆分。每个拆分完全有不同的 Spanner 节点独立管理，表的拆分次数根据数据量而变化：空表只有一次拆分。根据数据量和负载，拆分是动态重新平衡的。但是表和节点是跨三个区域复制的，这是如何工作的呢？

所以内容均在三个区域之间复制，拆分管理也是如此。拆分副本与一个跨区域的组（Paxos）相关联，使用 Paxos 共识协议，其中一个区域被认定为领导者。领导者负责管理该拆分的写入事务，而其他副本可用于读取。若领导者失败，则重新确定共识，并可能选择新的领导者。对于不同的拆分，不同的区域可以成为领导者，从而在 Spanner 计算节点之间分配领导角色。某个节点可以是领导者，也可以是其他拆分的副本。通过这种拆分、领导者、副本的分布式机制，Spanner 实现了高可用性与扩展性。

Spanner 中的读取类型

Cloud Spanner 中有两种读取类型。

强读取- 在需要读取绝对最新值时使用。下面是它的工作原理：

Cloud Spanner API 识别拆分，查找用于拆分的 Paxos 组，并将请求路由到其中一个副本（通常与客户端位于同一区域）在此示例中，请求发送到区域 1 中的仅读取副本；

如果可以阅读，则向领导者请求复制副本，并要求提供此行上最新交易的 TrueTime 时间戳；

领导者响应，副本会将响应与其状态进行比较；

如果行是最新的，它可以返回结果。否则，它需要等待领导者发送更新；

响应被返回客户端。

在某些情况下，例如，当行刚刚更新，而读取请求正在传输中，副本的状态足够最新，它甚至不需要向领导者询问最新的事务。

过期读取— 当低读取延迟比获取最新值更重要时，就会使用过期读取，因此可以容忍某些数据过期。在过期读取中，客户端不会请求绝对的最新版本，而只是要求最新的数据（例如，最多为 n 秒）。如果陈旧系数至少为 15 秒，则大多数情况下，副本只需返回数据，甚至不询问领导者，因为其内部状态将显示数据足够最新。您可以看到，在每个读取请求中，无需行锁定 - 任何节点响应读取的能力是 Cloud Spanner 如此快速和可扩展的原因。

Spanner 如何提供全球一致性？

TrueTime 是跨多个数据中心在所有计算机中同步时钟的一种方式。该系统使用 GPS 和原子钟的组合，每个原子钟都针对另一个的故障模式进行矫正，将两个来源进行合并（当然使用多个冗余）为所有 Google 应用程序提供了准确的时间来源。但是，每个单台计算机上的时钟漂移仍然可能发生，即使每 30 秒同步一次，服务器时钟和参考时钟之间的差值也可以高达 2ms。漂移将看起来像一个锯牙图，不确定性增加，直到被时钟同步更正。由于 2ms 的持续时间相当长（至少在计算方面），TrueTime 将此不确定性作为时间信号的一部分。

如果您的应用程序需要一个高度可扩展的关系数据库，可以考虑 Cloud Spanner。要更深入地了解 Cloud Spanner ，请参考官方文档。

官方文档：https://cloud.google.com/spanner/docs