NoSQL 在腾讯应用实践
吴悦，腾讯大讲堂特约讲师，腾讯T4技术专家。先后参与腾讯分布式文件系统（TFS），K-V存储，SQL集群，接入网关（TGW） 的设计与研发。见证了腾讯NoSQL从07年诞生，08、09批量应用，10年至今应用于腾讯开放平台让更多的第三方开发者使用；关注于构建具有低成本、 高性能、高可用，可扩展，易运营特点的互联网海量后台服务。目前任腾讯架构平台部平台开发中心技术总监。
此文已发表在《程序员》杂志。
一、前言
NoSQL的历史很长，最早可以追朔到Berkeley DB等嵌入式数据库的年代。互联网行业的高速发展对大数据的需求，为NoSQL的发展起到了推波助澜的作用。互联网时代的NoSQL，源起于Google 为解决大数据的存储与计算而提出的GFS + Bigtable + Map Reduce。随后Hadoop(Hdfs+Hbase+MapReduce)、 Hypertable、Memcached，Tokyo cabinet，Redis， Dynamo，Cassandra等等NoSQL产品雨后春笋般的推出，使得NoSQL技术广泛应用于互联网各个领域。
在腾讯过去的几年中，互联网社交平台取得令人瞩目的发展。包括平台用户基数、在线、应用数都取得突飞猛进的增长；另外随着开放的加剧，还有越来 越多的第三方选择社交平台开发应用。这些外部条件的变化对技术平台的而言，也带来了新挑战：除需要为用户提供更强的海量服务外，同时还需要提供开放的软件 基础架构来帮助第三方开发海量服务。
在解决这些问题的实践中，总结了很多经验。其中关键一点则是通过NoSQL技术来构建海量服务的数据层，并通过分析和总结出不同的业务场景和技术特点，为各种场景提供更合适的数据层解决方案。具体而言：
- 相册、日志等UGC类应用，主要是自我产生数据，他人以浏览为主，其技术特点是读取量巨大，修改量低于读取量一个量级，数据量从几百T至P级不等。提供SAS、SATA级的TDB、TFS解决方案。
- 农牧场等Social Game类应用，核心数据是用户背包数据，互动性很强，其技术特点是巨大读取量与修改量，数据量在百G级别。提供MEM级的TMEM解决方案。
- 信息中心的Feeds类应用，其技术特点是巨大的修改量与读取量，数据量也在几十T到几百T不等。提供SSD级的TSSD解决方案。
二、【2006~2008】因QQ相册而研发TFS、TDB
回顾NoSQL在腾讯的发展历程，需要从2006年腾讯分布式文件系统TFS的研发开始谈起，TFS目的是在公司内部构建统一的存储平台，为各 个BU提供文件系统服务。第一期的重点是要能够支持到QQ相册的快速发展。当时QQ相册使用传统企业级存储硬件+标准Linux文件系统的老架构，在数百 亿的图片数，每天近10亿长尾下载的规模下已难以为继。通过分析，老架构主要有下面三个问题：
- 采用FC-SAN等高端企业级存储硬件，这些硬件主要是针对电信、银行等高ARPU值的行业客户而生，价格通常比较贵，对盛行免费的互联网企业来说，成本压力大。
- 使用通用的Linux文件系统，对相册海量小文件的场景，空间利用和IO性能都不能很好的满足要求。
- 元数据与对象数据耦合，扩展性和可维护性较差，单机故障以及扩容都是异常繁琐的运维操作。
TFS采用廉价的存储设备，在软件层面使用类似软raid的技术来满足系统基于不可靠硬件的可靠性要求。将对象数据与元数据分离：对象数据存储 采用自研的CHUNK文件系统，inode节点更小，空间分配采用了基于append + delete更为紧凑的管理方式，使得单机最大可以支持数10亿的图片文件；元数据使用MYSQL存储。系统架构如下：
上面的架构很好的满足了数百亿级别规模下的QQ相册业务发展。大致在2007年的时候，QQ相册采用TFS的新架构趋于稳定，同时业务发展需 要，对用户上传也放开了限制，用户上传浏览的活跃度上升的一个新的量级，用户目录、文件索引等元数据规模突破千亿。在使用MySQL应对如此大规模的元数 据的场景下，暴露出一些问题：
- 索引低效：在QQ相册的场景，上千亿的记录，使用MySQL的B树索引索引的存储量消耗都在数TB到数十TB。 海量索引在无法全内存的情况会带来IO的多次访问，一方面增加了单次访问的时延，另一方面降低了磁盘的IO利用率。
- 数据搬迁：每天数亿的图片上传导致系统扩容，IDC分布策略，导致数据搬迁是常态。使用MySQL，使用select逐条记录方式搬迁，不同的记 录分散在不同的磁盘偏移，一方面搬迁速度较慢，另一方面由迁移导致的磁盘随机IO与业务正常访问相互交织在一起，从而影响到在线业务访问。
- 系统控制：MySQL更多针对是各种数据通用场景所做的设计与开发，实现较复杂。在使用中遇到性能问题，异常故障时难以定位原因，对业务系统来说，已经是无法打破的天花板。
针对上面的问题结合业务需求，2007年底研发出TDB用以替代MySQL，TDB是一个典型的K-V存储系统。其特点是：接口简单，性能高效，具备优秀的扩展能力。
数据层面，索引设计使用HASH，通过KEY可直接定位磁盘物理偏移，避免B树设计导致的二次定位磁盘性能开销，解决索引低效的问题。同时采用 16MB大磁盘块的设计，使得TDB的数据迁移速度可达网卡性能上限，解决迁移性能问题。另外系统可控性更强，一方面因为是专用场景，所以可以简化设计， 方便定位问题与优化更新；另一方面打通了存储系统到磁盘IO的控制路径，避免MySQL的系统天花板。
接入层面，为业务提供透明的访问代理，从而实现无缝的水平扩展。由于接口简单，并且是PAAS，业务使用非常方便，从2007年底开始，在Qzone、朋友、群空间等社区应用中逐步取得了广泛应用。
三、【2009】Social Game催生的TMEM
2009年有一款叫农场的游戏大家应该不会陌生，农场的火爆带动了一批Social Game应用的兴起。其典型特点（1）好友间互动性很强，用户背包数据会被频繁的修改与读取；（2）交叉访问，无明显热点数据；举个例子来说，对于传统的 应用来说，用户间交互相对较弱，活跃用户数据就是热点数据；而对于Social Game而言，用户交互性强，通过交叉访问，活跃用户也会频繁访问与修改非活跃用户数据。（3）放大效果明显；比如用户每次登陆，通常会遍历好友的农场， 会遍历菜地偷菜，捉虫，一次偷菜、捉虫会导致多个用户的多个背包数据修改。这些行为一方面导致整个系统中无明显热点数据，用户传统的读缓存+写落地的方式 则难以很好的满足这些业务的需求；另一方面庞大的用户基数之上的火爆应用，往往单款应用就会有每秒数百万次的访问量，这种海量访问不光对存储层面，同时对 网络通讯层面提出更高的性能要求。
针对以上新兴面临的问题，很明显TDB并不能很好的解决，所以09年围绕着网络通信，内存持久化两个方面，做了大量的设计与论证。2009年底左右推出新的服务TMEM。
核心有两点：
- 提供内核级KCCD网络通讯组件，提升网络通信性能，在网络包量吞吐方面相对于应用层提升了接近1倍的性能。
- 通过将操作流水加数据镜像落地TFS，解决了内存持久化的问题。
TMEM的出现很好的满足了业务海量访问的需求。不过毕竟内存介质的成本比较高，所以TMEM在小数据量的场景下，性价比比较高。但针对于中大 数据规模的海量访问的场景，使用TMEM的成本偏高，而使用SAS介质的TDB，则IO性能又不能很好的满足。比如社区中各类应用产生的Feeds，数据 量数十TB至数百TB，每天访问量数十亿至数百亿，应对该场景传统的做法必须得是前端内存缓存加上后端落地存储。分级存储导致的内存数据保护，各级间数据 一致性，另外最为关键的一点，与Social Game类似，Feeds也是典型交叉访问，热点不是非常明显，等等这些都是数据层亟需解决的难题。
四、【2010】顺SSD之势的TSSD
在2010年的时候，引入了SSD存储介质，开始构建TSSD K-V存储系统。SSD的特点：有着很好的随机读取性能，往往单盘可达数万IOPS，远高于SAS、SATA的数百随机IOPS。容量方面也接近SAS盘 的容量，可达数百GB。但SSD也有弊端：（1）寿命有限，随机写入的寿命相对于顺序写入为1/10左右；（2）随机写入场景，性能易受干扰，毛刺率较 高；具体而言：受限于物理机制，SSD的存储单元只能先擦除才能写入，并且擦除次数有限，针对NAND芯片，在3000~5000次左右。其中擦除单元是 512KB，写入单元是4KB。随机写入的场景，会带来写入放大。
因此应用SSD存储介质，必须优化随机写入性能。TSSD通过构建地址映射，增加随机写入内存缓冲区，实现随机转顺序的写入；通过定期的垃圾回收机制，回收垃圾数据。
TSSD系统中，单机可以支持容量数TB，性能随机数万次IOPS。这样基于TSSD使用简单的架构，更少的机器便可支持到容量数十至数百TB，性能数十万IOPS的Feeds类应用。
五、NoSQL小结
至此，业已构建出基于内存、SSD、SAS、SATA各类存储介质的存储系统，在上面也已提到各类存储系统所对应的使用场景。实际应用中，各种 业务场景千变万化，有没有统一的方法来判别和选择合适的存储系统呢？大致在1987年，Jim Gray发表了这个"五分钟法则"的观点，简而言之，如果一条记录频繁被访问，就应该放到内存里，否则的话就应该待在硬盘上按需要再访问。这个临界点就是 五分钟。这个看似经验公式，隐含的是硬件性能和成本两个方面的因素。大约在1997年的时候，Jim Gray再次回顾了该法则，并引入了SSD，验证了该法则依然正确。这里不在赘述该法则。
很多情况下需要一种直接根据业务的访问模型，因此使用IO访问密度，即每GB的存储的IO访问次数，会更为直观。那看看目前常用的几种存储介质：
SATA：希捷2TB/7200转/SATA(ST32000644NS)
SAS：希捷300GB/15000转/SAS(ST3300657SS)
SSD：Intel 160GB X25-M G2 34nm
DRAM：三星8GB DDR3 1333 REG ECC
(中关村在线报价，人民币美元汇率：6.3157，2012/4/16)
根据业务IO访问密度，选择合适的存储介质，就是根据存储介质的IO访问密度特性与价格来选择性价比最高的存储介质，即找到每种存储介质之间IO访问密度的临界点。
临界点G（X,Y）.IO per sec per GB = X.IO per sec per GB * Y.price per GB / X. price per GB，X与Y分别表示对比的两种存储介质，且Y.IO per sec per GB 大于 X.IO per sec per GB。根据上面的公式，可以得到表格如下：
怎么理解上面的公式呢?举计算SATA与SAS之间的临界点为例，G(SATA,SAS).IO per sec per GB = SATA.IO per sec per GB* SAS.price per GB/SATA.price per GB = 1/20 * 0.71/0.23 = 0.15 per sec per GB。假设现在有1GB的数据，访问密度是X，X小于2/3，那么使用SAS介质则需要0.71$，如果选择SATA介质，则需要X/(1/20) * 0.23 $。当X为0.15时，选择SATA与SAS的成本是一样的，当大于0.15时，则使用SATA的成本相对于SAS则高；否则则低。SAS比 SSD，SSD比DRAM也是类似。
实际上对于一款存储介质而言，IO访问特性与单位每GB的成本是决定了其存在与生命力的关键因素。通常来讲，其IO访问特性一般来讲不会有革命性的变化，而单位每GB的成本却是可以控制的，所以厂商总是会围绕容量来不断的深入优化。
六、开放的挑战
2010年底开始，随着开放的加剧，越来越多的第三方选择社交平台开发应用。这些外部条件的变化对技术平台的而言，也带来了新挑战：除需要为用 户提供更强的海量服务外，同时还需要提供开放的软件基础架构来帮助第三方开发海量服务。现有已成熟的NoSQL的架构能否被外部第三方接受，其关键的一点 是接口的友好性和兼容性。采用的标准化的接口，会大大降低外部开发者的使用门槛。因此，在2011年推出了CMEM 的NoSQL云存储服务，开发者可直接使用memcached接口，并即将支持redis接口。同时也提供了SQL云存储服务，开发者可用MySQL客户 端直接访问。后续推出CFS文件系统云存储服务，开发者可使用posix接口访问到TFS。
回顾TFS、TDB、TMEM、TSSD、CMEM、CDB、CFS等一系列存储系统过去近6个年头的演进发展。有两点经验可供分享：
1、建议NoSQL开发者尽量选择构建PAAS服务。一方面对业务开发者而言，不需关心日常运维，使用更为方便，易于接受；另一方面更容易形成用户需求提出、实现与发布的闭环，从而方便小步快跑，快速迭代出完善的服务。
2、建议中小业务开发者尽量使用云服务。通常一个NoSQL服务所面临的挑战有两个方面：一方面是大家所直观感受的产品本身；另一方面是服务背 后的运营体系。类似与铁路系统、消防系统，用户所直观感受到的火车、铁路，消防栓、消防车只是整个服务其中一个部分，是冰山海平面之上的部分；用户所感受 不到的铁路规划、调度系统、消防规划、消防演练，报警系统等后台运营体系通常是冰山海平面以下的部分，往往需要有大量的人力和财力投入，可能是中小公司难 以投入的。而在没有稳固的后台运营体系支撑下，类似动车事故、火灾等生产系统故障难以避免，并最终为业务带来不可估量的损失。
从过去几年来看，硬件在变，存储介质的性能与容量在不断提升，并不断会有新存储介质的产生；业务在变，不断有新兴的产品和新的业务体验，并对后 台系统提出新的挑战和需求；唯一不变的就是需要拥抱变化，为业务提供更贴切与更优化的存储服务。想了解更多关于腾讯TFS、TDB、TMEM、TSSD、 CMEM、CDB、CFS等一系列存储系统过去近6个年头的演进发展，大家可以到腾讯大讲堂网站(djt.qq.com)翻阅架构平台部的分享文章，谢 谢。原文链接