內存數據庫系統，NVDIMM和數據持久性

隨著(zhù)從通信設備到航空裝備和工業(yè)控制器等技術(shù)中對數據管理需求的不斷增長(cháng)，以及受到這些設備中不斷增加的板載CPU、RAM和存儲資源的推動(dòng)，數據庫管理系統(DBMS)軟件在電子設備中越來(lái)越普及。設備上的數據庫規模大小不一，從幾個(gè)GB的數據到支持電信計費/信用系統的等級評定和余額管理應用，再到10GB以上的IP路由器的控制層數據庫以及100GB以上的電信呼叫路由數據庫。

數據庫管理系統--曾經(jīng)與商業(yè)應用、臺式機和web應用幾乎完全關(guān)聯(lián)在一起--為了滿(mǎn)足當今電子設備的需求而經(jīng)過(guò)了長(cháng)足的發(fā)展。設計師經(jīng)常采用的內存數據庫系統(IMDS)是在主存中存儲記錄，因此可以消除許多延時(shí)源，比如通過(guò)硬連線(xiàn)接進(jìn)數據庫管理系統的緩存和文件管理，這些源將數據永久存儲在硬盤(pán)或閃存中(下圖1顯示了這些延時(shí)源)。因此與傳統“硬盤(pán)上的”數據庫管理系統相比，內存數據庫系統的執行速度可以快好幾個(gè)數量級。它們的設計也更簡(jiǎn)單，可以最大限度地減少對CPU周期的需求，進(jìn)而允許使用更小功耗和更低成本的處理器。

圖1:傳統(磁盤(pán)上)數據庫系統中的延時(shí)源。

然而，易失性有時(shí)是一個(gè)使人擔心的因素。當發(fā)生斷電或系統故障時(shí)，主存中的內容將消失。一些應用可以容忍這種風(fēng)險。例如，存儲在機頂盒中的基于RAM的電子節目指南在發(fā)生電源故障時(shí)會(huì )丟失，但利用有線(xiàn)電視頭端或衛星接收機中的信息可以很快重建。然而，其它許多電子設備要求更高等級的數據庫持久性和可恢復性。舉例來(lái)說(shuō)，一些醫療設備要求記錄隨時(shí)間變化的癥狀以支持臨床決策--這些數據在發(fā)生電源故障時(shí)不能突然消失。網(wǎng)絡(luò )路由器和交換機通常將配置數據永久地存儲在閃存中。將這種配置數據保存在內存中也是有意義的，可以實(shí)現更快的重啟--但數據需要是可恢復的。面臨DRAM易失性挑戰的還有“讀取”指紋或臉部的掃描儀。為了允許或拒絕訪(fǎng)問(wèn)安全設施，掃描儀需要將這些數據與存儲在設備上的內存數據庫系統中的生物特征數據進(jìn)行匹配。如果訪(fǎng)問(wèn)控制系統發(fā)生了故障，系統必須能夠很快恢復。

應用例子：內存數據庫系統和工業(yè)控制器

在工業(yè)控制系統中，在控制器中集成內存數據庫系統可以支持‘扁平的’控制系統架構。數據在這種架構中存儲和處理，一些控制決策在獨立控制器層產(chǎn)生;而在相反(和傳統)的層次化系統架構中，存儲在控制器層的數據通常被限制用于控制變量。

內存數據庫系統易失性解決方案

解決這種易失性問(wèn)題已有相應的解決方案。以電池供電RAM形式出現的非易失性?xún)却婵梢栽谙到y斷電時(shí)在DRAM芯片上保持數據不變，不過(guò)這種方法沒(méi)有得到廣泛普及，因為存在嚴格的溫度要求、漏電流風(fēng)險、有限的電池使用壽命和其它缺點(diǎn)。

內存數據庫系統軟件本身可以提供數據持久性機制。舉例來(lái)說(shuō)，借助事務(wù)日志功能，這種數據庫系統可以在日志文件中創(chuàng )建一條條事務(wù)記錄(對數據庫進(jìn)行的一組修改必須作為一個(gè)整體完成或失敗)，在發(fā)生故障后這些記錄可以用來(lái)恢復數據庫。但記錄本身要求寫(xiě)入永久存儲器，因此性能上會(huì )有些下降。

減輕易失性問(wèn)題的另外一種內存數據庫系統功能是數據庫復制，即獨立節點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)備用內存數據庫與主數據庫保持同步。如果主節點(diǎn)失效，這些數據庫的復制品之一將接替主節點(diǎn)的角色。雖然管理同步(和有可能發(fā)生的故障轉移)的過(guò)程和節點(diǎn)之間的通信會(huì )引起一些延時(shí)，但同步可以很快發(fā)生。當復制品數量增加或節點(diǎn)間的物理距離增加時(shí)，性能成本也會(huì )增加?？梢杂貌煌膹椭撇呗詠?lái)管理延時(shí)。同步或“2-safe”復制方法要求數據庫事務(wù)在復制節點(diǎn)和主節點(diǎn)上同時(shí)完成，而異步或“1-safe”復制方法允許事務(wù)在復制節點(diǎn)上完成之前提交給主數據庫。異步方法提供更短的源保持時(shí)間，因此速度更快，但一致性和持久性差一些。

NVDIMMS：非易性RAM，無(wú)需電池

非易失性雙列直插式內存模塊或NVDIMM的出現增加了針對內存數據庫持久性的一種新工具。NVDIMM采用標準記憶棒的形式，可插入現有的DIMM插座，因此簡(jiǎn)化了到現成平臺的集成。通常它們包含標準DRAM、NAND閃存和超級電容電源。在正常工作時(shí)，這種技術(shù)提供了高速DRAM的性能。當發(fā)生斷電事件時(shí)，超級電容提供的瞬時(shí)電能可用來(lái)將主存內容寫(xiě)入NAND閃存芯片，實(shí)現永久保存。當電源恢復時(shí)，NVDIMM將NAND閃存中的數據恢復到DRAM中。

對于內存數據庫來(lái)說(shuō)，NVDIMM的作用與電池供電型RAM是類(lèi)似的，但沒(méi)有后者所需的電池及其缺點(diǎn)。McObject公司以前就做過(guò)這方面的努力，其eXtremeDB內存數據庫系統可以與電池供電型RAM一起工作。公司很想將使用NVDIMM的內存數據庫系統作為主要存儲器。目前有多家供應商可以提供NVDIMM。我們使用AgigA Tech公司的產(chǎn)品對eXtremeDB進(jìn)行了測試，因為我們非常熟悉AgigA公司的母公司--賽普拉斯半導體。同時(shí)我們把測試僅限于A(yíng)gigA的NVDIMM(比如沒(méi)有測試來(lái)自VikingTechnology和Smart Modular Technologies公司的NVDIMM)，這主要是因為我們的時(shí)間和資源非常有限。因此本文中提到的測試只是從概念上證明，內存數據庫系統可以與NVDIMM一起作為存儲器，達到與使用傳統DRAM相當的性能，并且能夠利用NVDIMM的恢復功能恢復由于系統故障“丟失的”內存數據庫。

測試還解決了在同時(shí)要求低延時(shí)和數據可恢復性的應用中使用內存數據庫系統時(shí)經(jīng)常出現的另外一個(gè)問(wèn)題，即采用事務(wù)日志記錄的內存數據庫系統在多大程度上能保持其性能優(yōu)于基于磁盤(pán)的數據庫管理系統?對于后面這些涉及永久存儲器 (內存數據庫系統的事務(wù)日志存儲，以及在采用磁盤(pán)上的數據庫管理系統情況下的整個(gè)數據庫)的測試，存儲“設備”包含了用AGIGARAM NVDIMM配置的RAM盤(pán)。下面給出了使用RAM盤(pán)而不是傳統硬盤(pán)或固態(tài)硬盤(pán)的理由。

測試中使用的AgigA Tech公司NVDIMM是設計用于Intel的Romley和Grantley平臺(采用Sandy Brdige、Ivy Bridge、Haswell和Broadwell處理器架構)的。McObject在Intel Oak Creek Canyon參考主板中使用了4GB AGIGARAM DDR3-1600 NVDIMM,以及Intel奔騰雙核CPU 1407 @ 2.8 GHz處理器和8GB的金士頓普通DDR3-1333 DRAM，運行的是Debian Linux 2.6.32.5操作系統。