摘要：云堆栈的深度集成是释放云数据库力量的关键，华为云在实现这一目标方面处于领先地位，正如GaussDB(for MySQL)所证明的那样。
本文分享自华为云社区《近数据处理(NDP)，为GaussDB(for MySQL)性能提升“加冕”》，作者： GaussDB 数据库。
在上一篇文章《首席科学家为您揭秘：GaussDB(for MySQL)云栈垂直集成的力量有多大》我们介绍了GaussDB(for MySQL)的体系架构，这篇文章我们将重点介绍GaussDB(for MySQL)如何将查询处理卸载到存储层，我们将这一特性称之为近数据处理（Near Data Processing），简称NDP。
NDP出现的契机
在计算节点实例上执行查询操作首先需要将数据页面加载到InnoDB缓冲池(buffer pool)。相对传统数据库使用本地存储，云数据库需要通过网络获取数据，因此从存储节点读取页面数据的延迟要高得多。相比社区版MySQL，GaussDB(for MySQL)支持并行查询，可通过多线程并行将数据读取到缓冲池中，但当表数据量较大(包含数百万甚至更多的数据行)，分析查询需要扫描大量数据时，将所需数据全部加载到缓冲池中，IO成本将变得非常高。因此，我们需要一种更优的方法来解决此问题。
我们的解决方案是基于GaussDB(for MySQL) 计算节点与存储节点之间的紧密集成，将部分查询处理操作下推至靠近数据的分布式存储系统，数据库术语中称为算子下推。通过这种方式，我们可以利用多存储节点的总带宽。在云环境中，存储系统包含数百节点，我们希望充分利用存储系统的可扩展性，同时避免网络成为性能瓶颈点。NDP允许部分查询处理以大规模并行的方式在存储节点执行，并显著的减少网络IO。
NDP有诸多好处，包括：
- 利用多租户大规模分布式云存储系统，在多节点并行处理数据
- 显著减少网络IO，只返回满足WHERE条件的行(过滤)和查询涉及的列(投影)或聚合操作的结果，而不是将完整的数据页面从存储节点返回至计算节点
- 避免大数量扫描导致经常访问的数据页面从缓存池中移除
那么存储层是如何处理的呢？
算子下推通常适用于全表扫描、索引扫描、范围查询等场景。WHERE条件可下推至存储层，当前支持的数据类型包括：
- 数值类型(numeric, integer, float, double)
- 时间类型(date, time, timestamp)
- 字符串类型(char, varchar)等
算子下推可以与计算节点的并行查询完美结合，从概念上讲，一个查询首先在计算层(垂直扩展)拆分为多个worker线程并行处理，每个worker线程均可触发算子下推。由于分布式存储中数据分布的策略，每个worker线程的负载将分配至存储系统的多个节点上(水平扩展)，每个存储节点都有线程池处理算子下推请求。
查询是否启用算子下推，是在查询优化阶段，优化器根据统计信息和执行计划自动决策的。此外用户还可以使用 hint 来控制查询操作是否开启算子下推。
算子下推可以很好地处理冷数据，然而，GaussDB(for MyQL)是一个OLTP系统，通常包含并发更新操作。当前计算下推实现，MVCC处理仅在计算节点进行，存储节点只处理可见的行，针对无法判断可见性的行，原样返回至计算节点，通过undo-log回放出对应的数据。
通过算子下推，我们将获得怎样的收益呢？
以TPC-H标准测试集(scale factor: 100)为例，CPU：16核，内存: 128GB，计算节点数据库缓冲池大小设置为80GB，采用冷数据进行验证。
下图展示了TPC-H Q6, Q12, Q14, Q15 4 个Query的查询结果，均有20-40倍的性能提升。以Q12为例，只开启NDP，借助分布式存储算力和网络IO缩减，性能提升5倍，同时在计算节点开启并行查询，又获得7倍性能提升，总体提升约35倍，这个提升效果是非常显著的。
本文中提到的这些功能都可在实际生产环境中使用，而这只是开始，随着我们将更多计算推送到存储层，更多的查询将从此优化中受益，我们可以期待更大的性能提升。
如何启用NDP？
开启NDP开关，对当前Session生效，优化器自动判断是否进行计算下推。
mysql> show variables like 'ndp_mode'; +---------------+-------+ | Variable_name | Value | +---------------+-------+ | ndp_mode | ON | +---------------+-------+ 1 row in set (0.00 sec) mysql> explain select count(*) from lineitem; +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ | 1 | SIMPLE | lineitem | NULL | index | NULL | PRIMARY | 8 | NULL | 594000899 | 100.00 | Using pushed NDP columns; Using pushed NDP aggregate; Using index | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
通过hint方式，使NDP对当前Query生效。
mysql> show variables like 'ndp_mode'; +---------------+-------+ | Variable_name | Value | +---------------+-------+ | ndp_mode | OFF | +---------------+-------+ 1 row in set (0.00 sec) mysql> explain select count(*) from lineitem; +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------+ | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------+ | 1 | SIMPLE | lineitem | NULL | index | NULL | PRIMARY | 8 | NULL | 594000899 | 100.00 | Using index | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------+ 1 row in set, 1 warning (0.00 sec) mysql> explain select/*+ ndp_pushdown() */ count(*) from lineitem; +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ | id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ | 1 | SIMPLE | lineitem | NULL | index | NULL | PRIMARY | 8 | NULL | 594000899 | 100.00 | Using pushed NDP columns; Using pushed NDP aggregate; Using index | +----+-------------+----------+------------+-------+---------------+---------+---------+------+-----------+----------+-------------------------------------------------------------------+ 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)
挑战与今后方向
NDP有诸多好处，但它也有一些技术挑战需要我们解决。如分布式存储系统为多租户共享，为了避免不同租户对资源争抢使用，我们需要实现单租户级的资源管控。另外是优化器决策使用NDP的时机，需结合触发网络IO读取的数据量以及已缓存在缓冲池中的数据量综合考虑。
GaussDB(for MySQL)是一款云原生数据库，该体系结构支持极其强大和灵活的NDP框架。未来，我们计划利用此框架不仅仅是做查询处理，还将进一步扩展存储层中的数据库功能，这些功能可以与查询下推结合使用。我们相信，云堆栈的深度集成是释放云数据库力量的关键，华为云在实现这一目标方面处于领先地位，正如GaussDB(for MySQL)所证明的那样。
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