TiFlash 存算分离架构与 S3 支持

TiFlash 默认使用存算一体的架构进行部署，即 TiFlash 节点既是存储节点，也是计算节点。从 TiDB v7.0.0 开始，TiFlash 支持存算分离架构，并将数据存储在 Amazon S3 或兼容 S3 API 的对象存储中（比如 MinIO）。

架构介绍

如图，在存算分离架构中，TiFlash 原有进程的不同部分的功能，被拆分到两种不同的节点中，分别是 Write Node 和 Compute Node。这两种节点可以分别部署，各自扩展，即你可以选择部署任意数量的 Write Node 或者 Compute Node。

• TiFlash Write Node

  负责接收 TiKV 的 Raft logs 数据，将数据转换成列存格式，并每隔一小段时间将这段时间的所有数据更新打包上传到 S3 中。此外，Write Node 也负责管理 S3 上的数据，比如不断整理数据使之具有更好的查询性能，以及删除无用的数据等。

  Write Node 利用本地磁盘（通常是 NVMe SSD）来缓存最新写入的数据，从而避免过多使用内存。

• TiFlash Compute Node

  负责执行从 TiDB 节点发过来的查询请求。它首先访问 Write Node 以获取数据的快照 (data snapshots)，然后分别从 Write Node 读取最新的数据（即尚未上传到 S3 的数据），从 S3 读取剩下的大部分数据。

  Compute Node 利用本地磁盘（通常是 NVMe SSD）来作为数据文件的缓存，从而避免相同的数据反复从远端（Write Node 或者 S3）读取，以提高查询性能。

  Compute Node 是无状态节点，它拥有秒级的扩容和缩容速度。你可以利用这个特性降低成本：

  • 在查询负载较低时，减少 Compute Node 的数量，从而节省成本。在没有查询时，甚至可以停掉所有 Compute Node。
  • 在查询负载变高时，快速增加 Compute Node 的数量，保证查询性能。

使用场景

TiFlash 存算分离架构适用于高性价比的数据分析服务的场景。在这个架构下，存储和计算资源可以单独按需扩展。在这些场景将会有较大收益：

• 数据量虽然很大，但是只有少量数据被频繁查询；其他大部分数据属于冷数据，很少被查询。此时经常被查询的数据通常已被缓存在 Compute Node 的本地 SSD 上，可以提供较快查询性能；而其他大部分冷数据则存储在成本较低的 S3 或者其他对象存储上，从而节省存储成本。

• 计算资源需求有明显的波峰和波谷。比如重型的对账查询通常放在晚上执行，此时对计算资源要求较高，可以考虑临时扩展 Compute Node；其他时间可以用较少的 Compute Node 完成查询任务。

准备条件

1. 准备一个 S3 的 bucket，用于存储 TiFlash 数据。

   你也可以使用已有的 bucket，但需要为每个 TiDB 集群预留专门的 key 前缀。关于 S3 bucket 的更多信息，请参考 AWS 文档。

   也可以使用兼容 S3 的其他对象存储，比如 MinIO。

   TiFlash 将使用以下 S3 API 接口进行数据读写，需要确保部署 TiFlash 的节点有这些接口的权限：

   • PutObject
   • GetObject
   • CopyObject
   • DeleteObject
   • ListObjectsV2
   • GetObjectTagging
   • PutBucketLifecycle

2. 确保 TiDB 集群中没有任何存算一体架构的 TiFlash 节点。如果有，则需要将所有表的 TiFlash 副本数设置为 0，然后缩容掉所有 TiFlash 节点。比如：

   SELECT * FROM INFORMATION_SCHEMA.TIFLASH_REPLICA; # 查询所有带有 TiFlash 副本的表
   ALTER TABLE table_name SET TIFLASH REPLICA 0;     # 将所有表的 TiFlash 副本数设置为 0
   

   tiup cluster scale-in mycuster -R tiflash # 缩容掉所有 TiFlash 节点
   tiup cluster display mycluster            # 等待所有 TiFlash 节点进入 Tombstone 状态
   tiup cluster prune mycluster              # 移除所有处于 Tombstone 状态的 TiFlash 节点
   

使用方式

默认情况下，TiUP 会将 TiFlash 部署为存算一体架构。如需将 TiFlash 部署为存算分离架构，请参考以下步骤手动进行配置：

1. 准备 TiFlash 的拓扑配置文件，比如 scale-out.topo.yaml，配置内容如下：

   tiflash_servers:
     # TiFlash 的拓扑配置中存在 storage.s3 配置，说明部署时使用存算分离架构
     # 配置了 flash.disaggregated_mode: tiflash_compute，则节点类型是 Compute Node；
     # 配置了 flash.disaggregated_mode: tiflash_write，则节点类型是 Write Node
   
     # 172.31.8.1~2 是 TiFlash Write Node
     - host: 172.31.8.1
       config:
         flash.disaggregated_mode: tiflash_write               # 这是一个 Write Node
         storage.s3.endpoint: http://s3.{region}.amazonaws.com # S3 的 endpoint 地址
         storage.s3.bucket: mybucket                           # TiFlash 的所有数据存储在这个 bucket 中
         storage.s3.root: /cluster1_data                       # S3 bucket 中存储数据的根目录
         storage.s3.access_key_id: {ACCESS_KEY_ID}             # 访问 S3 的 ACCESS_KEY_ID
         storage.s3.secret_access_key: {SECRET_ACCESS_KEY}     # 访问 S3 的 SECRET_ACCESS_KEY
         storage.main.dir: ["/data1/tiflash/data"]             # Write Node 的本地数据目录，和存算一体的配置方式相同
     - host: 172.31.8.2
       config:
         flash.disaggregated_mode: tiflash_write               # 这是一个 Write Node
         storage.s3.endpoint: http://s3.{region}.amazonaws.com # S3 的 endpoint 地址
         storage.s3.bucket: mybucket                           # TiFlash 的所有数据存储在这个 bucket 中
         storage.s3.root: /cluster1_data                       # S3 bucket 中存储数据的根目录
         storage.s3.access_key_id: {ACCESS_KEY_ID}             # 访问 S3 的 ACCESS_KEY_ID
         storage.s3.secret_access_key: {SECRET_ACCESS_KEY}     # 访问 S3 的 SECRET_ACCESS_KEY
         storage.main.dir: ["/data1/tiflash/data"]             # Write Node 的本地数据目录，和存算一体的配置方式相同
   
     # 172.31.9.1~2 是 TiFlash Compute Node
     - host: 172.31.9.1
       config:
         flash.disaggregated_mode: tiflash_compute             # 这是一个 Compute Node
         storage.s3.endpoint: http://s3.{region}.amazonaws.com # S3 的 endpoint 地址
         storage.s3.bucket: mybucket                           # TiFlash 的所有数据存储在这个 bucket 中
         storage.s3.root: /cluster1_data                       # S3 bucket 中存储数据的根目录
         storage.s3.access_key_id: {ACCESS_KEY_ID}             # 访问 S3 的 ACCESS_KEY_ID
         storage.s3.secret_access_key: {SECRET_ACCESS_KEY}     # 访问 S3 的 SECRET_ACCESS_KEY
         storage.main.dir: ["/data1/tiflash/data"]             # Compute Node 的本地数据目录，和存算一体的配置方式相同
         storage.remote.cache.dir: /data1/tiflash/cache        # Compute Node 的本地数据缓存目录
         storage.remote.cache.capacity: 858993459200           # 800 GiB
     - host: 172.31.9.2
       config:
         flash.disaggregated_mode: tiflash_compute             # 这是一个 Compute Node
         storage.s3.endpoint: http://s3.{region}.amazonaws.com # S3 的 endpoint 地址
         storage.s3.bucket: mybucket                           # TiFlash 的所有数据存储在这个 bucket 中
         storage.s3.root: /cluster1_data                       # S3 bucket 中存储数据的根目录
         storage.s3.access_key_id: {ACCESS_KEY_ID}             # 访问 S3 的 ACCESS_KEY_ID
         storage.s3.secret_access_key: {SECRET_ACCESS_KEY}     # 访问 S3 的 SECRET_ACCESS_KEY
         storage.main.dir: ["/data1/tiflash/data"]             # Compute Node 的本地数据目录，和存算一体的配置方式相同
         storage.remote.cache.dir: /data1/tiflash/cache        # Compute Node 的本地数据缓存目录
         storage.remote.cache.capacity: 858993459200           # 800 GiB
   

   • 注意以上 ACCESS_KEY_ID 和 SECRET_ACCESS_KEY 是直接写在配置文件中的。你也可以选择使用环境变量的方式单独配置。如果两种方式都配置了，环境变量的优先级高于配置文件。

     如需通过环境变量配置，请在所有部署了 TiFlash 进程的机器上，切换到启动 TiFlash 进程的用户环境（通常是 tidb），然后修改 ~/.bash_profile，增加这些配置：

     export S3_ACCESS_KEY_ID={ACCESS_KEY_ID}
     export S3_SECRET_ACCESS_KEY={SECRET_ACCESS_KEY}
     

   • storage.s3.endpoint 支持使用 http 模式和 https 模式连接 S3，可以直接通过修改 URL 来选择。比如 https://s3.{region}.amazonaws.com。

2. 执行扩容 TiFlash 节点，并重新设置 TiFlash 副本数：

   tiup cluster scale-out mycluster ./scale-out.topo.yaml
   

   ALTER TABLE table_name SET TIFLASH REPLICA 1;
   

3. 修改 TiDB 配置，用存算分离的方式查询 TiFlash。

   1. 以编辑模式打开 TiDB 配置文件：

      tiup cluster edit-config mycluster
      

   2. 在 TiDB 配置文件中添加以下配置项：

      server_configs:
      tidb:
      disaggregated-tiflash: true   # 使用存算分离的方式查询 TiFlash
      

   3. 重启 TiDB:

      tiup cluster reload mycluster -R tidb
      

使用限制

• TiFlash 不支持在存算一体架构和存算分离架构之间原地切换。在切换到存算分离架构前，需要将原有存算一体架构的 TiFlash 节点全部删除。
• 从一种架构迁移到另外一种架构后，需要重新同步所有 TiFlash 的数据。
• 同一个 TiDB 集群只允许存在相同架构的 TiFlash 节点，不允许两种架构同时存在。
• 存算分离架构只支持使用 S3 API 的对象存储，存算一体架构只支持本地存储。
• 使用 S3 存储的情况下，TiFlash 节点无法获取非本节点文件的密钥，因此无法启用静态加密功能。