数据高速公路：详解数仓集群通信技术

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本文分享自华为云社区《直播回顾 | 数据高速公路—数仓集群通信技术详解》，作者： 胡辣汤。

大数据时代，集群规模越来越大，业务并发越来越高，数据库集群各节点间的通信压力也越来越大。在本期《数据高速公路—数仓集群通信技术详解》的主题直播中，我们邀请到华为云GaussDB(DWS)技术布道师魏登老师，深入讲解GaussDB(DWS)集群通信技术，如何在大规模集群中承载高并发业务，如何实现高性能分布式通信系统。

一、GaussDB(DWS)集群通信总览

在GaussDB(DWS)集群中，会有1个或多个协调节点（CN）、每台主机有若干个数据节点（CN）、全局事物控制器（GTM）、运维管理模块（OM）、集群管理模块（CM）、数据导入导出模块（GDS）。

  • 协调节点（CN）：负责请求分解、调度、结果返回；SQL解析和优化；仅保存元数据，不保存数据。
  • 数据节点（DN）：负责存储实际表数据（指定分布方式：哈希表、复制表、RroundRobin表）；执行SQL任务并向CN返回执行结果。
  • 全局事务控制器（GTM）：负责生成和维护全局事务ID、事务快照、时间戳等需要全局唯一的信息。
  • 运维管理模块（OM）：提供日常运维、配置管理。
  • 集群管理模块（CM）：集群管理和监控各单元物理资源使用情况。
  • GDS Loader：批量数据加载，并行加速

以上所有模块通过集群网络相互通信，集群通信不同于执行器、优化器、存储等数据库传统模块，集群通信是分布式数据库特有的。对于集群问题定位，集群性能优化有极大的影响。

下图是GaussDB(DWS)集群总览，本次内容分享对图示进行了一些简化。GaussDB(DWS)是MPP型分布式数据库，使用Sha服务器托管网re Nothing架构。数据分散存储在各个DN节点。CN不存储数据，作为接收查询的入口，生成的计划会尽量下推到DN并行执行以提升性能。DN执行多表Join时，因为本地DN只有部分数据，需要进行DN间的数据交换对表数据或中间结果集中分布。

GaussDB(DWS)一般查询的数据通信流程：（绿色箭头）

  • 客户端连接CN，下发query；
  • CN连接所有DN，生成并下发执行计划；
  • DN间通过网络做表数据或中间结果交换；
  • DN本地做数据加工，将结果集返回给CN；
  • CN将结果集聚合加工后返回客户端。

GaussDB(DWS)集群通信总览

二、CN通信框架介绍

1、IP和端口信息

客户端通过IP端口连接到CN，CN中的pgxc_node系统表保存了集群所有节点的IP和端口信息，帮助CN连接集群其他节点。

下图pgxc_node系统表中，node_port，node_host为主机信息；node_port1，node_host1为备机信息。hostis_primary为主备关系，为t时，CN会先连接主机再连接备机，反之亦反。hostis_primary值由CM集群管理组件在主备切换时自动刷新。

2、客户端与CN通信

客户端执行查询流程：

  • 客户端向CN的监听端口发起连接；
  • CN postmaster主线程accept连接，创建postgres线程并将连接交给此线程处理；
  • 客户端下发query到CN；
  • CN的postgres线程将查询计划下发给其他CN/DN，查询结果沿原路径返回到客户端；
  • 客户端查询结束，关闭连接；
  • CN上对应的postgres线程销毁退出。

客户端与CN通信示意图

CN与DN建连立流程，和客户端与CN建连立流程基本相同。为了减少CN与DN建立连接，以及DN进程中postgres线程创建、销毁的开销，CN端实现了pooler连接池。

3、Pooler连接池

Pooler连接池保存了CN与其他CN/DN进程的所有连接，每一个连接都对应其他CN/DN上的一个postgres线程。Pooler连接池通过对连接和线程的复用减少了建立连接以及DN创建、销毁postgres线程产生的开销。

Pooler复用流程：

  • session需要连接时，通过DB+USER为key找到正确的pooler连接池，优先从中取走现有连接；
  • query结束后，CN的postgres线程并不会归还连接，连接可以用于当前session的下一个查询；
  • session结束后，CN的postgres线程会将连接还到对应的pooler，连接对应的DN上的postgres线程并不会退出，处于ReadCommand中，等待复用后CN新的postgres线程发起任务。

Pooler连接池示意图

4、Pooler视图

pg_pooler_status视图记录了pooler连接池中的所有连接信息。如下图所示，每一行表示本CN发起的一个连接，对应对端进程的一个postgres线程。in_use为‘t’表示这个连接正在某线程使用，为‘f’表示空闲连接等待复用。tid列为本CN的持有此连接的线程号node_name列为对端进程号，remote_pid列为对端线线程号。在query_id为0或CN/DN不一致时，通过pooler视图查找CN与DN连接关系。

5、Pooler连接清理

连接池清理机制分为2种，分别是：Session持有的连接、Pooler空闲连接池中的连接。

Session持有的连接：

  • cache_connection，是否使用pooler连接池缓存连接；
  • session_timeout，客户端连接空闲超时后报错退出归还连接；
  • enable_force_reuse_connections，事务结束后强制归还连接；
  • conn_recycle_timeout（2.1），CN空闲session超时后归还连接。

Pooler空闲连接池中的连接：

  • pg_clean_free_conn，清理1/4的空闲连接池连接，CM定期调用；
  • clean connection，清理对应DB或user的所有空闲连接。

三、DN通信框架介绍

1、Stream算子

GaussDB(DWS)是MPP型分布式数据库，使用Share Nothing架构，数据分散存储在各个DN节点，两表满足join条件的数据必须分布在同一个DN上，不满足条件的表需要进行数据重分布，即产生一个stream算子。

每个stream算子需要上下两个线程处理异步网络IO，下层发送数据的称为producer，上层接收数据的称为consumer。

2、Stream线程

DN上的stream算子都需要启动一个stream线程异步发送网络数据，如果开启了SMP并行，一个stream算子可能需要启动多个stream线程，也会建立更多的DN间连接。stream算子（Streaming）分为以下三种：

  • GATHER：CN与DN通信，收集DN结果集
  • BROADCAST：DN将本地数据全量广播给其他DN
  • REDISTRIBUTE：DN将本地数据Hash后发给对应DN

3、Stream线程池

stream线程池实现了DN stream线程的复用，避免了stream线程创建、初始化、清理、销毁的开销。

stream线程池使用无锁队列实现，2000个stream线程并发启动，耗时从2秒级优化到服务器托管网10ms。stream算子需要stream线程时，通过DB name匹配对应的stream线程池，优先复用相同DB的已有线程。已创建的stream线程在查询结束后放入线程池等待复用。stream线程池中的线程本身具有空闲时超时退出功能，每60s超时回收1/4。max_stream_pool参数设置线程池缓存上限，为0时关闭stream线程池功能，也可以临时设置用于清理stream线程。

Stream线程池示意图

4、Libcomm通信库

当集群达到1000个DN时，每个stream线程需要建立1000个连接。如果1000 stream线程并发，DN总共需要建立100万个连接，会消耗大量的连接、内存、fd资源。基于这种情况，设计了Libcomm通信库，Libcomm通信库在一个物理长连接上模拟n个逻辑连接，使得所有并发的数据跑在一个物理连接上，解决了物理连接数过多和建连耗时的问题。

四、通信问题定位

1、通信hang问题

通信hang问题定位步骤：

  • 在pgxc_stat_activity视图中找到问题查询的query_id;
  • 根据query_id查询pgxc_thread_wait_status视图;
  • 过滤掉wait node、flush data、synchronize quit状态后，发现查询阻塞点；
  • 如果均上为上述三种状态，使用Libcomm逻辑连接视图进一步定位；

2、通信报错问题

常见通信报错问题如图所示：

3、通信性能问题定位

  • 使用explain perfomance分析;

  • 按hang问题定位热点阻塞堆栈；
  • 使用gsar工具查看环境是否发生网络丢包重传；

4、网络环境问题

  • 使用gsar工具确认是否发生网络丢包重传；
  • 使用netstat命令确认重传发生在哪一个连接上；

gs_ssh -c “netstat -anot|grep ‘on (‘|grep -v ‘/0/0’|sort -rnk3|head“|grep tcp

  • 使用top命令在连接两端机器排查ksoftirq进程CPU占用是否有异常；
  • 使用ping、telnet和tcpdump进一步分析丢包问题；

本期分享到此结束，更多关于GaussDB(DWS)产品技术解析、数仓产品新特性的介绍，请关注GaussDB(DWS)论坛，技术博文分享、直播安排将第一时间发布在GaussDB(DWS)论坛。

论坛链接：https://bbs.huaweicloud.com/forum/forum-598-1.html

直播回放链接：https://bbs.huaweicloud.com/live/cloud_live/202312191630.html

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