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Aurora 클러스터 개념
Aurora DB Cluster
- 하나 이상의 DB 인스턴스와 DB 인스턴스의 데이터를 관리하는 클러스터 볼륨(스토리지 레이어)으로 구성
- Primary Instance: 읽기/쓰기작업 지원, 클러스터 볼륨의 모든 데이터 수정을 실행
- Aurora Replica: Primary와 동일한 스토리지 볼륨에 연결되고, 읽기 작업만 지원 (최대 15개) - 스토리지는 3개의 가용 영역(AZ)에 걸쳐 있는 가상 디스크
Aurora DB 성능
- Aurora는 읽기와 쓰기 모두 인스턴스 크기에 따라 확장됨
- 기본적인 MySQL(RDS)는 동기식, 순차적인 과정에 따라 복제가 일어나기 때문에 I/O 작업이 굉장히 많음 (트랜잭션당 평균 7.4 I/O)
- primary에서 쓰기가 발생하면 6개의 스토리지 노드에 REDO 로그 레코드가 작성되며, 이중 4개의 노드가 ACK를 보내야 다음 작업으로 넘어가기 때문에 데이터베이스 시스템의 일관성, 내구성 ↑
- REDO 로그 레코드만 작성되면 primary 인스턴스는 다음 작업을 할 수 있기 때문에 기다리는 시간이 짧아 성능이 향상됨
- 6배 더 많은 로그를 쓰지만, 9배 더 적은 네트워크 트래픽 (트랜잭션당 평균 0.95 I/O)
Aurora의 I/O 트래픽
1. 레코드가 들어오면 incoming queue에 들어온 다음, 디스크에 씀
2. ACK를 반환
3. 비동기로 로그 레코드가 저장되었기 때문에 정렬과 그룹핑 작업을 통해 클린한 hot log를 만듬
4. 만약 로그 레코드에 빠진 데이터가 있다면 가십 프로토콜을 이용해 다른 스토리지 노드에게서 데이터를 받아옴
5. 최종적으로 redo 레코드를 데이터 페이지로 합치는 작업
6. 주기적으로 redo 레코드와 데이터페이지를 S3에 백업
7. garbage collect를 통해 오래된 버전 삭제
8. CRC 검사 수행- 1, 2번까지가 foreground의 latency path에 속하기 때문에, 2번이 끝나면 primary 인스턴스는 다른 작업을 수행할 수 있음
- 지연에 민감한 작업에 강함
- 트래픽 급증시 디스크 공간을 버퍼로 사용
복제시 Aurora I/O 트래픽
- 기존 MySQL에서는 빈로그를 이용해 SQL문을 복제본으로 전달하며, 마스터에서는 멀티 스레드로 수행하던 쿼리를 복제본에서는 싱글 스레드로 적용하기 때문에 처리 속도를 따라가기 어려움
- Aurora에서는 복제본에 redo 로그만 전송하기 때문에 write 없이 읽기만 하게 됨
비동기 그룹 커밋
- 전통적으로는 로그 레코드가 쓰여질 때 버퍼를 유지하고, 버퍼가 가득차거나 타임아웃이 발생해야 디스크에 쓰여지며, 모든 작업은 동기적으로 진행됨 (DISK I/O)
- Aurora는 DISK I/O가 아닌 NW I/O를 요청하며, 작업의 길이와 상관 없이 버퍼를 채우고 처리하고를 반복하게 됨
- latency penalty가 없음
적응형 스레드 풀 (Adaptive Thread Pool)
- Aurora에서는 적응형 스레드 풀을 이용해 병렬적으로 더 많은 작업을 수행할 수 있음
- MySQL에서는 커넥션당 하나의 스레드를 사용하지만 Aurora는 활성 스레드에 멀티플렉싱 커넥션을 재사용하며, 쓰레드 풀을 이용해 핸들링 할 수 있음
lock 관리
- Aurora는 lock chain에 대한 hash map을 생성하여 개별 lock chain의 동시 접근을 허용함
- 한번에 여러개의 작업을 동시에 수행할 수 있기 때문에 병렬 커넥션을 핸들링 할 수 있음
- lock-free 데드락 감지 가능
기타 성능 향상
- 캐시 읽기 성능 향상
- 카탈로그 동시성
- latch-free 동시 read view 알고리즘을 사용해서 read 성능 향상 - 비캐시 읽기 성능
- 스마트 스케줄러
- 스마트 셀렉터: 덜 바쁜 스토리지 노드를 찾아 데이터를 읽기 때문에 읽기 레이턴시 줄임
- LRA(Logical read ahead): 블럭 순서가 아니라 B-tree 내의 순서를 기반으로 페이지를 프리패치해서 I/O를 줄일 수 있음 - 배치 삽입 성능
- 불필요한 latch의 획득을 피하기 위해 배치 삽입시 이전의 커서를 기억하고 그 위치에서부터 데이터를 삽입함 (데이터가 PK에 의해 정렬되어있을 때) - 빠른 인덱스 구축
- 기존에는 인덱스를 만들때 리눅스의 read ahead 를 사용 (contiguous block address 이용)해서 top-down 방식으로 인덱스 빌드
- aurora에서는 block 단위가 아니라 트리의 위치를 기반으로 block을 미리 가져옴
- top-down이 아니라 bottom-up 방식으로 인덱스를 빌드 (leaf → branch)
- split을 만들지 않으며, 각 페이지는 한번씩만 접근하고, 페이지당 하나의 로그 레코드를 가질 수 있도록 구현
- MySQL에 비해 2~3배 빠르게 인덱스 구축
→ 더 적은 I/O 수행, 네트워크 패킷 최소화, 비동기 처리, 지연을 줄여서 성능 향상
Aurora 스토리지의 내구성
- cluster volume은 SSD를 사용하는 단일 가상 볼륨
- primary DB 인스턴스에 데이터가 기록되면 Aurora에서는 가용 영역의 데이터를 클러스터 볼륨과 연결된 6개의 스토리지 노드에 동기적으로 복제됨
- 비영구적인 임시 파일을 위해서는 별도의 로컬 스토리지를 사용
- 데이터와 DB 인스턴스는 독립적으로 생성됨
- 신규 인스턴스가 추가되어도 데이터를 새로 복사하지 않기 때문에 새로운 인스턴스를 빠르게 추가할 수 있음
- 이미 모든 데이터가 포함된 공유 볼륨에 신규 DB 인스턴스가 연결됨
- DB 인스턴스가 제거되는 경우에도 데이터가 삭제되지 않고, 전체 클러스터를 삭제할 때만 데이터가 제거됨 - 데이터베이스 데이터 용량이 늘어날수록 Aurora 클러스터 볼륨이 자동 확장됨
- Aurora 2.09 이상, 3버전대에서는 데이터를 제거하면 클러스터 볼륨의 크기가 동적으로 조정되어 스토리지 비용을 줄일 수 있음
- DROP TABLE , DROP DATABASE , TRUNCATE TABLE , DROP PARTITION 과 같은 SQL에서만 동적 크기 조정이 적용되고 , DELETE할 때에는 적용되지 않음
- 대용량 DELETE를 했을 경우에는 OPTIMIZE TABLE 사용해서 테이블을 재구성해야 클러스터 볼륨의 크기를 동적으로 조정
- 4/6 쿼럼을 사용하기 때문에 최소 4대 이상의 노드에서 데이터를 복제하며, 만약 최대 두대가 데이터를 받지 못했을 때에는 노드간 peer-to-peer gossip 프로토콜을 이용해 갭 데이터를 자동으로 채움
- disk volumne에서 장애를 자동으로 감지하고, 특정 세그먼트에 결함이 발생하면 aurora가 즉시 해당 세그먼트를 복구하며, 복구할 때에는 나머지 디스크 볼륨의 데이터를 사용
- 데이터가 복제되어 있기 때문에 데이터 손실을 방지할 뿐 아니라 특정 시점으로 복구 기능할 필요성도 줄어듬 - 최대 64TB까지 성능 영향 없이 10GB 단위로 자동 확장
- cluster volume에 포함되는 항목: 사용자 데이터, 스키마 객체, 시스템 테이블, 빈로그와 같은 내부 메타데이터
지속적 백업
- 스토리지 노드는 로그 레코드를 받아서 LSN 기반으로 정렬, 비워있는 페이지를 채운 뒤 지속적으로 S3에 백업(스트리밍)
- 개별 레코드, 논리적으로 일관성 있는 스냅샷도 S3에 백업됨
- 복구할 때에는 특정 세그먼트 스냅샷 + 로그 레코드를 적용해서 recovery point로 복원 가능
- 복원 작업은 비동기, 병렬적으로 작업 가능하기 때문에 빠름
crash 복구
- 전통적으로는 마지막 체크포인트 이후의 로그를 리플레이 했어야 하고, 많은 디스크 I/O가 필요함
- Aurora에서는 redo로그를 리플레이
- Aurora는 거의 즉각적으로 복구되어 binlog 없이 어플리케이션 데이터를 계속 제공하도록 설계됨
- 병렬 스레드에서 비동기적으로 충돌 복구를 수행하여 데이터베이스가 오픈된 다음 충돌 후 즉시 사용될 수 있도록 함
- binlog 로깅
- binlog 로깅을 활성화하면 강제로 binlog 복구를 수행하도록 하므로 충돌 후 복구 시간에 직접적인 영향을 줌
- 사용되는 binlog 유형은 크기와 효율에 영향을 미침
캐시 warming
- 각 DB 인스턴스의 페이지 캐시가 데이터베이스와 별도의 프로세스로 관리되며, 페이지 캐시가 데이터베이스와 상관없이 유지됨
- 페이지 캐시 → InnoDB 버퍼풀 - 데이터베이스 장애가 발생하면 페이지 캐시는 메모리에 남아 데이터베이스가 재시작될 때 유지되어, 워밍업 시간이 줄어들어 성능이 향상됨
- writer 인스턴스가 재부팅될 때 reader 인스턴스가 재부팅되지 않으면 페이지 캐시가 손실되지 않음
- writer 인스턴스가 재부팅될 때 reader 인스턴스가 재부팅되면 페이지 캐시가 손실됨
- reader 인스턴스가 재부팅되면 writer 및 reader 인스턴스의 페이지 캐시가 모두 유지됨
빠른 장애조치
- 빠른 장애 감지
- 복구 시간은 3~20초 (대부분 DNS 전파)
- 장애조치
- 클러스터에 복사본 instance가 있다면 primary로 승격 (30초 ~ 60초 미만)
- 클러스터에 복제본이 없다면 동일한 AZ에 다시 생성됨 (10분 미만)
Aurora Replica
- 최대 15개의 복제본을 가질 수 있으며, 실패한 데이터베이스 프로세스는 자동으로 감지되고 재활용 됨
- reader endpoint를 이용해서 트래픽 처리 확장 가능
- 마스터 노드 failover시 승격될 replica노드들에 가중치를 둘 수 있음
Aurora 3.0에서의 temp table 방식 차이
primary
- TempTable 엔진을 사용해서 in memory 내부 임시 테이블
- 사이즈가 늘어나면 mmap 구조 사용 (로컬)
- 사이즈가 더 늘어나면 InnoDB on-disk 임시 테이블 사용
replica
- internal_tmp_mem_storage_engine 은 TempTable이며 수정 불가
- temptable_use_mmap은 1이며 수정 불가
- temptable_max_mmap은 0으로 설정 불가
Aurora 심화
쿼럼(Quorum) 모델
- 분산 스토리지에서 가용성과 정합성을 위해 쿼럼 모델을 사용
쿼럼 모델이 지켜야 하는 규칙
1. the read set, Vr, and the write set, Vw, must overlap on at least one copy
2. the quorum used for a write overlaps with prior write quorums
1번 규칙: 읽기 세트 Vr과 쓰기 세트 Vw가 최소 하나의 중첩된 복사본을 가져야 함
- 여러개의 복제본(copy == node)에 대해 Vw, Vr가 겹치지 않는 경우
- A, B 노드에서는 쓰기에 대해 OK 하고 쓰고 있을 때, Vr에서 읽으면 보장되지 않은 데이터가 읽힐 수 있음 - 복제본 중 하나라도 Vw, Vr가 겹치는 경우
- 보장되지 않는 데이터에 대해 read 하려 할 때 겹치는 노드 B에서 읽지 못하게 할 수 있음
2번 규칙: 쓰기에 사용된 쿼럼이 이전의 쓰기 쿼럼과 중첩되도록 해야 함
- Vw 노드가 중첩되지 않는 경우
- 1번과 2번 트랜잭션에서 동일한 아이템을 수정하고 있다고 하더라도 2번 트랜잭션에서 C,D 노드가 찬성을 하면 쓰기 작업이 가능함
- Vw > V/2로 보장 가능
가능한 몇가지 모델
Aurora에서 사용하는 쿼럼 정책
- 3개의 AZ에 걸쳐 4개의 쓰기 세트와 3개의 읽기 세트가 있는 6개 복사본 쿼럼을 사용
-> 여섯개의 복사본에 쓰기를 수행해서 네개의 복사본에서 완료를 받으면 쓰기가 완료됨 - 3개의 AZ에 걸쳐 노드를 분산하기 때문에, 그중 하나의 AZ가 다운되었다고 해도 내결함성을 유지할 수 있는 4/6 를 사용
-> 한 AZ의 전체 손실 + 하나의 추가 오류에도 데이터 손실이 없게 유지할 수 있음 - Aurora의 평균 고장 시간 (MTTF)과 평균 수리 시간(MTTR)을 고려하면 6개의 복사본으로도 충분히 읽기 가용성을 지킬 수 있음
-> 만약 재해로 인해 특정 AZ를 가동할 수 없다면 그 기간동안 degraded mode를 사용해서 쿼럼을 줄일 수 있음
쿼럼으로 인한 읽기 속도 지연 이슈
- Aurora는 3개의 읽기 쿼럼을 사용하기 때문에 3개 데이터를 읽어야 한다고 생각할 수 있음
- 하지만 aurora는 (MySQL의 MVCC 처럼) 상태(state) 정보를 사용
- 읽기 시작하는 시점의 커밋 LSN을 가지고 그 이후 데이터가 존재하는 스토리지 읽기 노드로 읽기 요청을 전달 - 스토리지 노드의 읽기 요청 응답 시간을 추적하여 관리, 현재 가장 짧은 응답 시간을 제공하는 스토리지 노드를 조회하도록 함
- destructive(파괴적) 쓰기 방지
- mysql에서 redo log는 롤백되더라도 항상 증가
- 롤백을 하면 바로 데이터페이지 내용을 덮어쓰지 않고 별도 공간에 백업한 다음 이전 버전에 대해 가비지 콜렉션 작업을 진행
다른 세그먼트 유형으로 인한 비용 절감
- 6개의 복사본이 3개의 AZ에 분산되어 있지만 6개의 복사본이 모두 동일하지는 않음
- Full Segment: 데이터 페이지와 로그 레코드를 모두 포함
- Tail Segment: 로그 레코드만 포함 - Tail 세그먼트 중 하나에 오류가 발생하면 3개 복사본 중 하나로 쉽게 복구 가능
- Full 세그먼트 중 하나에 오류가 발생하면 최신 Full 세그먼트를 재생성할 수 있는 redo 로그가 있기 때문에 재생성 가능
- 쓰기 쿼럼은 모든 세그먼트 중 4개 or 3개의 풀 세그먼트 중 3개로 구성됨
- 읽기 쿼럼은 모든 세그먼트 중 3개 and 1개의 풀 세그먼트로 구성됨
- 평소에는 읽기 쿼럼을 사용하지 않지만, 장애가 발생한 세그먼트의 rebuild 및 손상된 쿼럼을 복구하기 위해서 읽기 쿼럼을 사용함
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