CN105892957A - 一种基于动态分片的分布式事务执行方法 - Google Patents

一种基于动态分片的分布式事务执行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于动态分片的分布式事务执行方法，在每个数据中心的数据库管理服务器中部署有用于控制和管理对事务的动态事务分片单元，动态事务分片单元包括动态分片模块和动态冲突分析模块，采用动态事务分片单元处理来自应用服务器的事务请求，对该事务请求进行动态分片和动态冲突分析，随后对分片后的事务采用分片执行模块进行执行，并在数据库存储器上执行具体的数据访问操作。本发明是基于事务分片技术，在数据中心引入动态分片模块和动态冲突分析模块，实现程序化自动化的事务分片技术，使得事务有更多的机会在本地数据中心提交，有效地减少分布式存储系统中跨数据中心通信的次数，降低事务管理的延时从而获得良好的响应性能。

Description

一种基于动态分片的分布式事务执行方法
技术领域
本发明涉及数据访问领域，更具体地，涉及一种基于动态分片的分布式事务执行方法。
背景技术
大规模的分布式存储系统会把数据分块放在不同的数据中心上，即数据分区。对于部署在多数据中心上的应用，事务操作通常需要访问不同分区的数据，即访问不同数据中心。按照事务分片技术，事务会按照访问数据分区的不同被划分为多个分片。其中每个分片只会访问单个数据中心的数据分区，并且以单个ACID事务的形式执行和提交，同时第一个分片在客户端所在的本地数据中心执行。第一个分片执行并提交后，事务就可以返回已完成的状态给客户端，剩下的分片会在返回后在后台被发送到其他数据中心执行。从而使得客户端等待的时间不包括跨越数据中心的通信延时。为了保证被分片事务的ACID特性，尤其是可以确保强一致性的可串行性，需要在分片事务执行之前进行冲突分析。如果对某事务的分片执行会违背可串行性，它就不能被分片执行。对事务的冲突分析基于SC图理论，用SC图表示分片事务。SC图中节点表示事务分片，连接同个事务不同分片的是S边，另一种边（C边）连接不同事务中的分片并表示这两个分片存在数据访问冲突，即二者访问同个数据分区并且其中一个访问是写操作。文献“Dennis Shasha, Francois Llirbat, Eric Simon, and Patrick Valduriez. "Transaction chopping: Algorithms and performance studies." ACM Transactions on Database Systems (TODS) 20, no. 3 (1995): 325-363.”证明了在SC图中非可串行化的冲突可以等价为SC环的存在。SC环是SC图中的环，既包含S边又包含C边。图1展示了两个SC图，其中一个有SC环，另一个没有。其中T0,1表示事务0的第一个分片，其他以此类推。
文献“Yang Zhang, Russell Power, Siyuan Zhou, Yair Sovran, Marcos K. Aguilera, and Jinyang Li. "Transaction chains: achieving serializability with low latency in geo-distributed storage systems." In Proceedings of the Twenty-Fourth ACM Symposium on Operating Systems Principles, pp. 276-291. ACM, 2013.”提出的静态事务分片技术，在应用开发阶段，对所有类型的事务进行静态的分片和冲突分析，分析出事务是否可分片执行。静态冲突分析是应用开发者对所有事务的全局检测，是一个人工过程，并且需要在应用的事务代码中进行标注。
在静态分片的技术方案中，程序员对应用所有事务进行静态分片和全局静态分析，分片信息和分析结果标注在程序代码中。这种由开发者执行的静态分片技术有以下几种缺点：
1）对程序员不透明。在程序代码中标注分片信息首先需要对代码进行额外的定制与修改，而且需要程序员完全掌握SC图理论来进行冲突分析。这些都会带来额外的工作量。
2）缺乏灵活性。静态分析在程序编码阶段就完成，即事务是否可分片在编写事务代码时已经确定，并不能根据事务的具体执行情况进行动态调整。
3）只能采用静态的数据分区方案。事务分片的依据是数据的分区，静态检测在编码阶段就确定事务能否分片，只能使用一种特定的数据分区方案。
近年来，大型网络应用都构建在基于多数据中心的分布式存储系统之上，并且采用常规的关系型数据库和事务操作。在基于多数据中心的分布式存储系统中，为了保证事务的ACID特性，事务管理（如并发控制和提交协议）需要完成多次跨数据中心的通信。为了向用户提供良好的可用性，多个数据中心通常位于相隔遥远的不同地理位置。跨数据中心的通信延时很高，给事务管理造成非常高的时间开销。事务分片技术能让事务在本地数据中心提交。
发明内容
本发明提出一种基于动态分片的分布式事务执行方法，基于事务分片技术，在数据中心引入动态分片模块和动态冲突分析模块，实现程序化自动化的事务分片技术，使得事务有更多的机会在本地数据中心提交，有效地减少分布式存储系统中跨数据中心通信的次数，降低事务管理的延时从而获得良好的响应性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于动态分片的分布式事务执行方法，在每个数据中心的数据库管理服务器中部署有用于控制和管理对事务的动态事务分片单元，动态事务分片单元包括动态分片模块和动态冲突分析模块，采用动态事务分片单元处理来自应用服务器的事务请求，对该事务请求进行动态分片和动态冲突分析，随后对分片后的事务采用分片执行模块进行执行，并在数据库存储器上执行具体的数据访问操作。
优选地，在所述动态事务分片单元中进行动态分片时，需要判断事务是否可以分片执行以实时的方式动态地确定，如果事务不可分片，该事务就会以整个事务为单位参与到常规的并发控制协议中，按照常规分布式事务的形式执行并提交。
优选地，所述动态分片模块的工作过程为：在某时刻，当有事务请求从应用服务器发送过来，动态分片模块按照当前的数据分区方案，把当前收到的所有事务都拆分成小的分片，最后把事务的分片情况发送到动态冲突分析模块进行下一步处理；
其中数据分区方案是动态可变的，动态分片模块读取到的都是实时的分区方案。
优选地，所述动态冲突分析模块的工作包括分析冲突和监控事务执行情况，其中分析冲突是由冲突分析算法完成，而监控事务执行情况向分析算法提供当前系统的负载信息，使得实时的冲突分析可以更加准确。
优选地，所述冲突分析算法基于SC图理论，主要目标是分析出SC图中的所有SC环，在SC环中的事务不可分片，其余的事务就可分片；所有在动态分片模块同时被分片的事务分片，再加上当前在系统中执行但未提交的事务，就会构成一个临时的局部SC图，这个临时的局部SC图就是冲突分析算法的具体操作对象；此处加上已执行但未提交的事务是为了分析出其与未执行事务的冲突关系，在动态化的分析过程中是必要的，而这些已执行但未提交事务的信息就是由动态冲突分析模块监控事务执行情况的时候产生的。
本发明提出的动态事务分片技术给分布式系统引入动态事务分片和动态冲突分析的模块，可以动态地对当前需要执行的事务进行分片和冲突分析。对应静态分片的三个缺点，动态分片技术有三个优点：
1）对程序员透明。在动态分片技术中，分布式存储系统加上了动态分片模块和动态冲突分析模块，分别负责动态对事务分片和冲突分析，程序员不需要理会事务是否可分片而只需要编写常规的事务代码。对程序员的透明性不仅减少了程序员的开发工作量，程序化的模块工作起来还会更加准确。此外，还可以在不需要修改应用代码的前提下，把分片技术引入到在一些老旧的应用中。
2）更灵活和准确。基于当前的实时数据分区情况和事务执行状态，动态分片技术中的事务分片和冲突分析可以更准确地分析出当前的实际冲突情况。特别是动态冲突分析模块，不像静态检测那样保守地让所有可能出现冲突的事务都不能分片，更灵活和准确的分析使得更多的事务可以分片执行，从而实现低延时提交。
3）可适应于动态可变的数据分区方案。大规模应用的用户访问通常来自不同地区甚至不同时区，不稳定且不可预测。为了能在动态的访问模式中保持良好的性能，大规模分布式存储系统需要采用动态可变的数据分区方案。动态分片模块部署在数据存储管理服务器中，可以根据当前的分区方案，动态地对事务进行分片。
附图说明
图1为两个SC图，1（a）为有SC环图，1（b）为无SC环图。
图2为数据中心中动态事务分片技术与其他模块之间的关系图。
图3为可分片事务的执行过程图。
图 4为冲突分析算法涉及到的几种图的示例图，4（a）为SC图，4（b）为复合C图，4（c）为简单 C图，4（d）为关联矩阵。
图5为SC图中分析两类SC环的算法流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种基于动态分片的分布式事务执行方法，在每个数据中心的数据库管理服务器中部署有用于控制和管理对事务的动态事务分片单元，动态事务分片单元包括动态分片模块和动态冲突分析模块，采用动态事务分片单元处理来自应用服务器的事务请求，对该事务请求进行动态分片和动态冲突分析，随后对分片后的事务采用分片执行模块进行执行，并在数据库存储器上执行具体的数据访问操作。
本发明的核心包含两个部分：动态分片模块和动态冲突分析模块，部署在每个数据中心的数据库管理服务器中，负责控制和管理对事务的动态分片。在数据中心中，事务请求来自负责向用户响应的应用服务器，事务请求在动态分片的两个模块中完成处理，随后分片后的事务受分片执行模块控制，在数据存储服务器上执行具体的数据访问操作。图2展示了数据中心中动态事务分片技术与其他模块之间的关系。
分布式系统中加入了动态事务分片技术之后，事务是否可以分片执行是以实时的方式动态地确定。如果事务不可分片，该事务就会以整个事务为单位参与到常规的并发控制协议中，按照常规分布式事务的形式执行并提交。图3展现了可分片事务的执行过程，下面详细描述动态分片模块和动态冲突分析模块的工作过程。
（1）动态分片模块
在某个时刻，当有事务请求从应用服务器发送过来，动态分片模块会按照当前的数据分区方案，把当前收到的所有事务都拆分成小的分片。最后把事务的分片情况发送到动态冲突分析模块进行下一步处理。
数据分区方案是动态可变的，动态分片模块读取到的都是实时的分区方案。另外，为了保证可分片事务的第一个分片可在用户的本地数据中心提交，从而实现低延时提交。该事务必须在本地数据中心被分片，数据分区方案通常都可以保证这个性质。但若某些情况下不能保证，如分区方案临时改变，该事务请求应该被重新发送到本地数据中心。
（2）动态冲突分析模块
动态冲突分析模块的工作分为两个方面：分析冲突和监控事务执行情况。分析冲突由一个冲突分析算法完成，而监控事务执行情况向分析算法提供当前系统的负载信息，使得实时的冲突分析可以更加准确。
冲突分析算法是基于SC图理论，主要目标是分析出SC图中的所有SC环，在SC环中的事务不可分片执行，其余的事务就可分片执行。所有在动态分片模块同时被分片的事务分片，再加上当前在系统中执行但未提交的事务，就会构成一个临时的局部SC图。这个临时的局部SC图就是分析算法的具体操作对象。此处加上已执行但未提交的事务是为了分析出它们与未执行事务的冲突关系，在动态化的分析过程中是必要的。而这些已执行但未提交事务的信息就是由动态冲突分析模块监控事务执行情况的时候产生的。
分析算法在SC图中检测SC环，是一个图论算法。首先，分析算法把SC环分成两种类型。如图4(a)中的SC图，有两个SC环：{T0,1, T0,2, T2,1,T1,2,T1,1}和{T3,1, T2,2, T2,3}。它是不同类型的SC环，为方便描述，把前者命名为A类SC环，后者为B类SC环。
两种类型SC-环在原始SC图中不方便检测，所以分析算法根据SC图中事务的关系，构建对应的以事务为节点的复合C图，如图4(b)。复合C图是一个加权有向多重图，即两个节点间的边是有向边并且可能存在多条边并且每条边都有一个权值。从始点T1到终点T2的复合C边<T1,T2>的权值定义如下：
a）若SC图中T1和T2之间只有一条C边相连，<T1,T2>权值为正值并且数值等于T1中与T2相连的分片的编号；
b）若SC图中T1和T2之间有两条或更多的C边相连，<T1,T2>权值为负值，不失一般性，数值统一定义为-1。
复合C边的权值可以用一个关联矩阵表示，如图4(d)。显然，每个关联矩阵的负值项都代表着B类SC环的存在，这是检测B类SC环的条件。
A类SC环涉及两个以上事务的分片冲突关系，需要进一步分析。从复合C图中去除所有负值边，并把每对对称的正值复合C边用一条无向边表示，就会得到简单C图，如图4(c)所示。对A类SC环的检测是一个递归的环检测过程，本质上是深度优先搜索过程。首先，对简单C图进行的环检测算法可以用常规的深度优先搜索实现，找出某个环如{T0, T1, T2}后再进行深入的分析。对于在简单C图中环中的事务，根据关联矩阵的信息分析该事务与相邻两个事务连接的分片是否同一个。如T0的第一个分片与T1相连，而与T2相连的是T0的第二个分片。如果是不同的分片，说明简单C图中由C边构成的环经过了T0的S边<T0 ， 1,T0.2>，即A类SC环存在。在SC图中分析两类SC环的算法流程图如图5。对于两类SC环中的事务节点都标记为不可分片，需要以常规分布式事务形式执行。其余的事务节点标记为可分片。
可分片事务交由分片执行模块执行，由分片协调器顺序依次调用第一个分片和后续分片执行，并把每个分片的执行和提交情况都报告给动态冲突分析模块，即动态冲突分析模块监控具体的执行情况。需要注意的是，动态冲突分析模块在接收到第一个分片的提交状态之后就会向应用服务器返回响应。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于动态分片的分布式事务执行方法，其特征在于，在每个数据中心的数据库管理服务器中部署有用于控制和管理对事务的动态事务分片单元，动态事务分片单元包括动态分片模块和动态冲突分析模块，采用动态事务分片单元处理来自应用服务器的事务请求，对该事务请求进行动态分片和动态冲突分析，随后对分片后的事务采用分片执行模块进行执行，并在数据库存储器上执行具体的数据访问操作。
2.根据权利要求1所述的基于动态分片的分布式事务执行方法，其特征在于，在所述动态事务分片单元中进行动态分片时，需要判断事务是否可以分片执行以实时的方式动态地确定，如果事务不可分片，该事务就会以整个事务为单位参与到常规的并发控制协议中，按照常规分布式事务的形式执行并提交。
3.根据权利要求1所述的基于动态分片的分布式事务执行方法，其特征在于，所述动态分片模块的工作过程为：在某时刻，当有事务请求从应用服务器发送过来，动态分片模块按照当前的数据分区方案，把当前收到的所有事务都拆分成小的分片，最后把事务的分片情况发送到动态冲突分析模块进行下一步处理；
其中数据分区方案是动态可变的，动态分片模块读取到的都是实时的分区方案。
4.根据权利要求3所述的基于动态分片的分布式事务执行方法，其特征在于，所述动态冲突分析模块的工作包括分析冲突和监控事务执行情况，其中分析冲突是由冲突分析算法完成，而监控事务执行情况向分析算法提供当前系统的负载信息，使得实时的冲突分析可以更加准确。
5.根据权利要求4所述的基于动态分片的分布式事务执行方法，其特征在于，所述冲突分析算法基于SC图理论，主要目标是分析出SC图中的所有SC环，在SC环中的事务不可分片，其余的事务就可分片；所有在动态分片模块同时被分片的事务分片，再加上当前在系统中执行但未提交的事务，就会构成一个临时的局部SC图，这个临时的局部SC图就是冲突分析算法的具体操作对象；此处加上已执行但未提交的事务是为了分析出其与未执行事务的冲突关系，在动态化的分析过程中是必要的，而这些已执行但未提交事务的信息就是由动态冲突分析模块监控事务执行情况的时候产生的。
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