本文主要是介绍自动弹性，QPS线性提升｜一文读懂云原生数仓AnalyticDB弹性技术原理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
前言
在全球经济增长放缓的大背景之下，企业在加强数字化建设的过程中，实现效益最大化成为一个绕不开的话题。阿里云瑶池旗下的云原生数仓AnalyticDB MySQL湖仓版（以下简称AnalyticDB MySQL）在发布之初提供了定时弹性功能，帮助业务有规律的客户定时升降配计算资源以节省成本。时隔一年，AnalyticDB MySQL针对用户痛点，再推出Multi-Cluster弹性资源模式，它具备贴合用户负载、自动配置、性能线性提升等优点，进一步帮用户节省成本，提高计算效率。
弹性模型介绍
弹性模型分为两种，分别是Min-Max弹性模型和Multi-Cluster弹性模型。
▶︎ Min-Max弹性模型：
单个SQL可使用的资源量在Min和Max资源量之间进行扩缩，该模型适用于ETL场景，用于提升单个SQL的性能。例如，Min=16 cores，Max=32cores，单个SQL可使用的资源量在区间[16cores, 32cores]中。
▶︎ Multi-Cluster弹性模型：
以Cluster粒度进行资源扩缩，单个SQL可使用的资源量为单个Cluster，Cluster之间资源隔离，该模型适用于在线分析和交互式分析场景，用于提升SQL的并发度。
例如，单个Cluster大小=16cores，最小Cluster和最大Cluster个数分别为1和2，那么，每个SQL可使用的资源量为16cores（单个Cluster），随着SQL并发度的提高或降低，Cluster个数可以在1和2之间自动进行调整，Cluster1中运行的SQL不会影响Cluster2中的SQL。
Multi-Cluster弹性模式优势
AnalyticDB MySQL在没有Multi-Cluster弹性模型之前，采用的是Min-Max弹性模型，通过定时弹性实现资源的弹起和释放，存在不少限制，具体表现在以下方面：
- 易用性：用户只能根据业务规律，在固定时间段将资源弹升，弹性计划生效间隔长（最短间隔10分钟）；
- 性能：小查询的性能容易受到大查询的干扰， 查询并发数不随资源组大小变化，查询可能排队；
- 成本：用户需要指定固定时间段的弹升规格，难以贴合实时的业务负载，短时间段的业务波谷无法缩容。
为了解决上述问题，应对查询的高并发实时分析场景，AnalyticDB MySQL引入了Multi-Cluster弹性模型。Multi-Cluster弹性模型作用在AnalyticDB MySQL在线资源组内部，一个在线资源组由一个或者多个Cluster组成，相比Min-Max弹性模型，在易用性、性能和成本上均有了较大提升。
易用性
自动根据当前实例的负载进行Cluster个数的扩缩，无需手动设置资源扩缩时间，更灵活地应对不同的业务流量。用户只需设置好Cluster个数的上限、下限及每个Cluster大小即可。
性能
Cluster之间资源隔离，单个SQL只会影响其所在的Cluster，不影响其余Cluster中SQL的运行，避免了单个大SQL对其它小SQL的干扰，进而影响资源组内查询的整体性能。根据实验结果，随着Cluster个数的增多，查询并发数呈线性增长趋势。与Min-Max弹性模型相比，Multi-Cluster弹性模型下在同等计算资源下，查询并发度可提升高达28%。
成本
贴合用户负载，动态选择最优Cluster个数，应对业务的波峰波谷。为了更直观地展示Multi-Cluster弹性模型和Min-Max弹性模型在成本上的收益，我们这里举个实际应用的案例：
- 0-7点：某客户在晚上0-7点的时候，处于业务低峰期，用户采用定时弹性，将计算资源缩小至48ACU；
- 7-24点：客户业务处于间歇性高峰期，用户采用定时弹性将计算资源保持在192ACU，以应对随时可能到来的波峰；
- 全天使用的总资源量为3600ACU。
注：ACU（AnalyticDB Compute Unit）是AnalyticDB MySQL湖仓版资源分配的最小单位。一个ACU约等于1核4GB。
应用Multi-Cluster弹性模型之后：
- 0-7点：用户将Cluster大小缩小为48ACU，保持和定时弹性的资源使用量一直；
- 7-24点：用户将Cluster大小变为96ACU，并设置最小Cluster个数为1，最大Cluster为2；
- 全天使用的总资源量为2208ACU，相比定时弹性节省资源约38.7%。
可以看到相对定时弹性，Multi-Cluster弹性模型可以在业务两个高峰之间的波谷，为用户减少Cluster个数，节省成本，当用户的业务波峰到来后，Cluster个数随之弹升，满足业务负载。
总的来说，相比Min-Max弹性模型，Multi-Cluster弹性模型更适合高并发实时分析场景，体现在易用性、性能和成本等维度。下面我们将深入地了解Multi-Cluster的技术架构，以及如何实现“弹得准、弹得快、弹得好”的目标。
Multi-Cluster技术架构
在设计Multi-Cluster技术架构的时候，我们的核心目标有三个：弹得准、弹得快、弹得好。下图是AnalyticDB MySQL Multi-Cluster的整体架构图，从上至下可分为三层:
- 接入层：负责将用户的查询投递到特定的资源组，再根据Cluster的负载情况分配到具体的Cluster上去执行；
- 执行层：资源组内部划分为相同大小的多个Cluster，每个query只在其中一个Cluster上执行；
- 决策层：通过实时读取AnalyticDB MySQL资源的负载情况，进行Multi-Cluster资源组的扩缩容决策。
弹得快：实时数据链路
为了保障扩容的时效性，快速应对用户查询的到来，AnalyticDB MySQL建立了Region级别的指标采集系统。AnalyticDB MySQL实例也进行了改造，能实时地更新内部的业务指标（如Query排队数、CPU使用等），并被指标采集进程采集到中心的存储端。目前整个数据链路的延迟在10s左右。
弹得准：稳定的扩缩容策略
AnalyticDB MySQL实例是由接入层节点、计算节点、存储节点共同构成的复杂系统，在对计算资源进行扩缩容决策的时候面临如下挑战：
- 多组件交互的系统，如何识别外部组件瓶颈；
- 实例指标繁多，基于什么指标来进行扩缩容决策；
- 如何防止指标短时间的抖动，导致扩缩容策略不准；
- 如何判断扩缩容决策是否合理。
为此，我们将整个Cluster个数计算分为三个阶段：决策、执行、反馈。
决策
▶︎ 瓶颈识别
我们在决策系统中，将指标分为两类：
正向指标：反馈要扩容目标的负载情况，决定扩容目标的扩缩容。
负向指标：反馈除扩容目标外的其余组件的负载情况，用于判断外部瓶颈。
当负向指标达到设定的阈值时，我们认为计算节点扩容对于AnalyticDB MySQL实例整体而言已经无法起到加速查询，提升并发数的作用。对于这种情况，决策系统将会报警直至瓶颈解除。
▶︎ Cluster个数预估
对AnalyticDB MySQL实例的负载分析后，我们发现对于扩缩容的决策并不能由单个指标决定，随着用户负载类型不同，决定扩缩容的指标也不一样。主要用到的指标有：用户CPU使用率，用户内存使用率，用户查询排队数等。
因此在扩缩容的预估的过程中，我们会先根据每个指标计算得出一个候选Cluster数，最后再选择所有指标中最大的Cluster数作为最终候选项。
- 对于和Cluster挂钩的指标（如CPU利用率）我们采用如下计算公式：
- 对于和资源组挂钩、但不和Cluster挂钩的指标（如查询排队数和并发数）我们采用如下公式计算：
- 最终我们取所有算出来的目标Cluster数的较大值：
▶︎ 稳定窗口
为避免因为实例负载抖动等因素造成的metric抖动，我们采用了稳定窗口的算法来避免抖动
在稳定窗口期间，每次预估的Cluster个数都会记录下来，并使用当前的Cluster个数和稳定窗口中推荐的个数进行对比。
a) 若窗口Min ≤ 当前Cluster个数 ≤ 窗口Max，则当前Cluster个数保持不变；
b) 若当前Cluster个数 < 窗口Min，则说明应当将当前Cluster个数应当扩容至窗口Min；
c) 若当前Cluster个数 > 窗口Max，说明当前Cluster个数应当缩到稳定窗口Max。
执行
资源组内部的Cluster，在AnalyticDB MySQL内部对应的K8s的自定义资源(Custom Resource)，由自研的Operator进行管理，这些自定义资源实现了K8s的Scale SubResource。当决策系统作出决策后，会通过K8s的Scale API，将目标Cluster个数下发给自定义Operator进行扩缩容。
反馈：有效性评估
在执行完扩（缩）容后，决策系统会记录扩容之前的metric指标的值，并在扩（缩）容完成后持续观察用户负载的指标。
- 扩容评估: 决策系统持续观察扩容后用户查询的qps是否按照Cluster的比例增长了，或者用户查询的rt是否按照Cluster的比例降低了，如果没有明显增长，则认为扩容无效，决策将Cluster个数恢复成扩容前的个数，停止扩容决策运行，并预警。
- 缩容评估：决策系统持续观察缩容后用户查询的qps和rt是否均有明显变化，如果变化超过了一定的阈值，则将Cluster恢复成缩容前的个数，决策系统将Cluster个数恢复成缩容前的个数，停止缩容决策，并预警。
弹得好：负载均衡路由策略
在Cluster个数提升之后，用户无需指定查询路由到的Cluster，AnalyticDB MySQL自动根据负载均衡算法将查询路由到负载最小的Cluster中。
下图是一个根据Cluster负载均衡路由的示意图。
1. 当Q5到来时，由于Cluster0的负载是2，Cluster1的负载是1，Cluster2的负载是1。Q5会优先分配给Cluster1执行。
2. 当Q6到来时，由于Cluster0的负载是2，Cluster1的负载是2，Q6会分配给Cluster2执行。
总结及未来规划
为了更好地贴合业务负载，充分利用资源，实现效益最大化，我们推出了AnalyticDB MySQL Multi-Cluster弹性模型，完成了自动化、智能化扩缩容。AnalyticDB MySQL Multi-Cluster形态有如下特点：
1. 成本：贴合业务负载自动扩缩容，相比单Cluster资源组固定资源，可以节省更多的成本；
2. 查询性能：线性增加，查询的隔离性相比Min-Max模型资源组要更优越；
3. 自动弹性：避免了用户手动调整资源组大小。
未来，我们还将在以下几个方面继续打磨和增强:
- 主动弹性：基于预测的主动弹性，查询延迟最小化；
- 负载解耦：基于WorkLoadManager，大query自动投递到离线资源组减少对在线资源组的资源抢占；
- 弹性效率：资源Pod热池加速弹性效率；
- 效果展示：性能优化及成本节省可视化。
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