隨著云計算和大數據時代的深入發展，企業對數據庫的性能、擴展性、可靠性和成本效益提出了前所未有的高要求。傳統數據庫架構，尤其是基于本地存儲的共享存儲架構，在應對海量數據、高并發訪問及彈性伸縮需求時，常常面臨瓶頸。阿里云推出的云原生數據庫PolarDB，通過創新的“計算與存儲分離”架構和自研的分布式共享存儲系統PolarFS，為這些挑戰提供了優雅的解決方案。本文上篇將聚焦于PolarDB的整體數據處理流程及其底層核心——存儲支持服務PolarFS的實現機制。

一、PolarDB概述：云原生數據庫的架構革新

PolarDB是阿里云自主研發的云原生關系型數據庫，100%兼容MySQL、PostgreSQL和Oracle引擎。其最核心的創新在于采用了“計算與存儲分離”的架構。在此架構下：

• 計算層（數據庫引擎節點）：由多個讀寫節點（RW）和只讀節點（RO）組成，它們是無狀態的，主要負責SQL解析、優化、執行、事務處理等計算任務。計算節點可以根據業務負載動態彈性擴縮容。
• 存儲層：由一個跨多個物理服務器的、高性能的分布式共享存儲集群構成。所有計算節點都通過高速網絡（如RDMA）訪問同一份存儲數據，實現了數據的強一致性和共享。
• 日志即數據（Log is Data）：PolarDB摒棄了傳統數據庫中將數據頁（Page）作為同步單元的模式，轉而將重做日志（Redo Log）作為主同步介質。存儲層直接接收并持久化來自主節點的Redo Log，并在后臺異步地將其應用（回放）到數據頁上。這極大地減少了主節點與存儲層之間、以及主從節點之間的數據傳輸量，降低了主節點的寫延遲和負載。

這種分離架構帶來了顯著優勢：存儲容量可獨立、無縫擴展至百TB級別；計算節點快速彈性伸縮（分鐘級增加只讀實例）；存儲按實際使用量計費，成本更低；并通過多副本機制保障了數據的高可靠性與高可用性。

二、數據處理流程：從SQL到持久化存儲

在PolarDB中，一條寫事務（如INSERT/UPDATE）的生命周期清晰地體現了其架構優勢：

1. SQL處理：主計算節點接收SQL請求，經過解析、優化后，在內存中執行數據修改，生成對應的Redo Log記錄（描述數據的變化，而非數據頁本身）。
2. 日志下沉（Log Sink）：主節點不是將修改后的臟數據頁刷盤，而是將生成的Redo Log通過高效網絡協議批量、并行地發送到后端的PolarFS存儲集群。這個過程是同步的，確保日志持久化后事務才算提交成功，保證了持久性（Durability）。
3. 存儲層持久化與應用：PolarFS接收Redo Log，首先將其持久化寫入到多副本的日志存儲系統中。存儲層內部的“日志回放服務”會異步地將這些Redo Log應用到對應的數據頁上，生成新的數據頁版本。數據頁以“寫時復制（Copy-on-Write）”方式更新，舊版本得以保留，這天然支持了快速快照功能，是備份、克隆等操作的基礎。
4. 只讀節點數據同步：只讀節點（RO）不與存儲層進行復雜的數據頁同步。它們只需從存儲層（或主節點）獲取最新的Redo Log，并在本地內存中回放，即可獲得與主節點一致的數據視圖。這避免了從主節點復制大量數據頁帶來的網絡和I/O開銷，使得只讀節點的添加幾乎不影響主節點性能，實現了近乎線性的擴展。

三、核心基石：PolarFS分布式共享存儲系統

PolarFS是支撐PolarDB“計算與存儲分離”架構的自研高性能分布式文件系統，它是整個系統的數據持久化基石。其設計目標是為數據庫負載提供極低延遲、高吞吐、強一致和高可用的塊存儲服務。

1. 架構設計

PolarFS采用分層架構：

• 客戶端（ChunkServer Client）：嵌入在每個數據庫計算節點中，以用戶態文件系統（FUSE）或內核模塊形式存在，提供標準的POSIX文件接口（如pwrite/pread）。它負責處理I/O請求的路由、緩存和協議編解碼。
• 元數據服務（ChunkMaster）：管理整個文件系統的命名空間、文件到數據塊（Chunk）的映射關系、以及數據塊副本的位置信息。它本身是高可用的集群。
• 數據存儲服務（ChunkServer）：負責實際數據塊（通常為幾十MB大小）的存儲。數據塊以多副本（通常為3副本）形式分布在不同的物理服務器上，通過Raft共識協議保證副本間的一致性。

2. 關鍵技術創新

為了實現數據庫所需的極致I/O性能，PolarFS集成了多項尖端技術：

• RDMA高速網絡：計算節點與存儲節點之間、存儲節點內部廣泛使用RDMA（遠程直接內存訪問）技術進行通信。RDMA允許數據繞過操作系統內核和CPU，直接從一臺機器的內存傳輸到另一臺機器的內存，大幅降低了網絡延遲和CPU開銷。這是實現低延遲同步寫日志的關鍵。
• 用戶態I/O棧（Bypass Kernel）：傳統的文件系統I/O路徑需要經過內核，存在上下文切換和內存拷貝的開銷。PolarFS的客戶端運行在用戶態，通過SPDK（存儲性能開發工具包）等技術直接訪問NVMe SSD等硬件，實現了從應用到存儲介質的“零拷貝”短路徑，顯著提升I/O效率。
• 并行復制與一致性協議優化：針對數據庫寫日志的順序、小塊、高并發特點，PolarFS優化了數據復制流程。它支持將小I/O合并后并行復制到多個副本，并利用RDMA進行流水線式傳輸，在保證強一致性的前提下，最大化寫吞吐量。
• 智能I/O調度與本地性感知：PolarFS能夠感知數據塊的分布，并智能地將I/O請求路由到最近的或負載最輕的副本。對于讀請求，尤其是只讀節點的讀，可以優先從本地或同可用區的副本讀取，減少網絡延遲。

小結

阿里云PolarDB通過將“計算與存儲分離”與“日志即數據”理念深度融合，重構了云數據庫的架構范式。其上半部分——數據處理流程，高效地將數據庫計算與持久化存儲解耦；而下半部分——由PolarFS提供的共享存儲支持服務，則通過RDMA、用戶態I/O棧等前沿技術，為上述架構提供了堅實、高性能、彈性的存儲底盤。正是這兩者的協同創新，使得PolarDB能夠在提供企業級功能與兼容性的在彈性、擴展性、性價比上獲得突破性進展。在下篇中，我們將進一步深入分析PolarDB在高可用、彈性擴展、備份恢復等高級功能上的具體技術實現。