4.2 弹性调度

弹性调度（Elastic Schedule） 是 TiDB 在 4.0 的新特性，通过与云环境结合后提供的一系列调度策略，可以让 TiDB 具备 自适应能力（Adaptive Capacity） ，即 TiDB 能根据用户的 workload 模式自动调节形态以达到资源的最大利用率。自适应能力是 TiDB 能够提供 DBaaS 服务的一项关键能力。

4.2.1 需求背景

传统上，我们一般将 TiDB 集群部署在 IDC 环境中，在这种情况下，用户通常希望各台机器的资源利率比较平均，并且各台机器需要预留足够的资源以应对高峰期，但大部分时间业务流量比较低且平均，机器的利用率相对于高峰期处在一个比较低的水平，造成了机器资源的浪费。而在云环境下，机器资源可以按需分配，并且云厂商能够支持秒级或分钟级交付，那么在平常的大部分时间里，就不需要让每台机器预留资源，而是应该尽可能地利用每台机器资源。当遇到资源利用高峰期时，可以临时扩容机器并且将一部分负载调度到新机器上，进而分散集群压力，保证性能稳定。

如何在云上来实现弹性调度，这不仅需要让 TiDB 内核具备更灵活的处理方式，还需要结合 TiDB Operator 来让它在云上对业务进行自适应调节。目前 4.0 已经初步具备以下两个方面的功能：

  • 自动伸缩
  • 动态调度

4.2.2 自动伸缩

自动伸缩（Auto-Scale）包含两方面的内容，一是弹性扩缩容节点，二是在扩缩容节点后自动均衡集群负载。

和 Aurora 做法类似，弹性伸缩节点可通过对一些系统指标设置一个阈值，比如 CPU 利用率（TiDB Server 或 TiKV Server）、QPS（TiKV Server）等，当集群在平衡状态下目标指标等于或者超过阈值一段时间以后，就会自动触发水平的弹性伸缩。

TiDB 借助 TiDB Operator 和 PD 来实现 Auto-Scale：

  • TiDB Operator 通过 API 的方式暴露出期望的 TiDB / TiKV 节点数量
  • TiDB Operator 定期获取 TiDB / TiKV 的 metrics 信息和 PD 上的集群状态信息
  • TiDB Operator 通过内部的 Auto-Scaling 算法对 TidbCluster.Spec.Replicas 进行调整，从而实现 Auto-Scaling。

在 TiDB Operator 中，新增了 AutoScaler API 和 AutoScaler Controller，下面是一个 AutoScaler API 的例子：

apiVersion: pingcap.com/v1alpha1
kind: TidbClusterAutoScaler
metadata:
  name: autoscaler
  namespace: ela-demo
spec:
  cluster:
    name: ela-scheduling
    namespace: ela-demo
  metricsUrl: http://monitor-prometheus.ela-demo.svc:9090
  tidb:
    minReplicas: 8
    maxReplicas: 8
    scaleOutIntervalSeconds: 100
    scaleInIntervalSeconds: 100
    metricsTimeDuration: "1m"
    metrics:
      - type: "Resource"
        resource:
          name: "cpu"
          target:
            type: "Utilization"
            averageUtilization: 90
  tikv:
    minReplicas: 3
    maxReplicas: 5
    scaleOutIntervalSeconds: 100
    scaleInIntervalSeconds: 100
    metricsTimeDuration: "1m"
    metrics:
      - type: "Resource"
        resource:
          name: "cpu"
          target:
            type: "Utilization"
            averageUtilization: 70

其中：

  • minReplicas：最小实例数
  • maxReplicas：最大实例数
  • scaleOutIntervalSeconds：每次触发 scale-out 的间隔时间
  • scaleInIntervalSeconds： 每次触发 scale-in 的间隔时间

当集群扩缩容节点后，还需要进行快速的负载均衡。对于 TiDB 的负载均衡，需要客户端具备自动重新调整长连接的能力，使建立到 TiDB 上的连接能够重新均衡。而对于 TiKV，主要是通过 PD 发起对热点 Region 的动态调度，以达到快速分摊压力的目的，同时也能以最小的调度代价来提高弹性伸缩的速度。

4.2.3 动态调度

在上面提到了通过 TiDB Operator 扩缩容 TiKV 节点后，需要由 PD 来发起 Region 的热点调度，一般来说分为以下几种情况：

  1. 请求分布相对平均，区域广
  2. 请求分布相对平均，区域小
  3. 请求分布不平均，集中在多个点
  4. 请求分布不平均，集中在单个点

对于第一种情况，访问平均分布在集群的大部分 Region 中，目前调度不会对其做相关的特殊处理。对于第三种情况，现有的热点调度器已经能够识别并且对其进行调度。下面来介绍下对于第 2 种和第 4 种情况如何去做动态调整：

  1. 根据负载动态分裂 ( Load Base Splitting)

对于上述第二种情况，会出现小区域的热点问题。特别是在 TiDB 实践中经常遇到的热点小表问题，热点数据集中在几个 Region 中，造成无法利用多台机器资源的情况。TiDB 4.0 中引入了根据负载动态分裂特性，即根据负载自动拆分 Region。其主要的思路借鉴了 CRDB 的实现，会根据设定的 QPS 阈值来进行自动的分裂。其主要原理是，若对该 Region 的请求 QPS 超过阈值则进行采样，对采样的请求分布进行判断。采样的方法是通过蓄水池采样出请求中的 20 个 key，然后统计请求在这些 key 的左右区域的分布来进行判断，如果分布比较平均并能找到合适的 key 进行分裂，则自动地对该 Region 进行分裂。

  1. 热点隔离 (Isolate Frequently Access Region）

由于 TiKV 的分区是按 Range 切分的，在 TiDB 的实践中自增主建、递增的索引的写入等都会造成单一热点的情况，另外如果用户没有对 workload 进行分区，且访问是 non-uniform 的，也会造成单一热点问题。这些都是上述的第四种情况。根据过去的最佳实践经验，往往需要用户调整表结构，采用分区表，使用 shard_bits 等方式来使得单一分区变成多分区，才能进行负载均衡。而在云环境中，在用户不用调整 workload 或者表结构的情况下，TiDB 可以通过在云上弹性一个高性能的机器，并由 PD 通过识别自动将单一热点调度到该机器上，达到热点隔离的目的。该方法也特别适用于时事、新闻等突然出现爆发式业务热点的情况。

4.2.4 总结

TiDB 4.0 是一个更加成熟，易用的版本，并且随着 TiDB Operator 的成熟以及 DBaaS 的推出，TiDB 4.0 开始成为一个拥抱云的版本。在云上，调度关注的视角也发生了改变，这使得让 TiDB 自适应 workload 去调整数据库形态变成了可能。后续弹性调度这一块， TiDB 还将有更多的玩法，比如 Follower Read 与多数据中心场景的结合，以及 TiFlash 大家族的加入。未来的 TIDB，除了是一个 HTAP 的数据库，也会变成一个“智能”的数据库。

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