缓存数据库底座哪家强？高级黑科技带你翱翔
随着技术的发展，缓存技术的大规模使用是现代互联网架构区别于传统IT技术最大的地方。通过合理利用缓存技术与缓存数据库，可以帮助企业有效提升系统的性能、可用性与扩展性，助力企业提供更加敏捷创新与稳定安全的服务。
事实上，缓存技术与缓存数据库的应用无所不在，与我们的生活息息相关。从金融、医疗到互联网业务，小到我们日常生活中经常使用的各种购物网站、订餐系统、购票系统、视频/直播类app、行程码/健康码系统等等，可以说都与缓存技术密切相关。然而，企业在应用缓存技术与缓存数据库的过程中，通常会以传统x86服务器集群为底座，却常会面临以下三大挑战：
1. 随着缓存技术与缓存数据库的广泛应用，集群中x86服务器的内存和其他硬件故障概率也在增加
2. 服务器内存损坏故障发生时，恢复流程复杂，恢复时间冗长
3. 随着x86 服务器数量不断增长，架构越来越复杂，管理难度不断增加
那么，在传统的 x86 服务器集群架构之外，是否有其他更好的平台架构可以解决上述的三大挑战呢？答案是肯定的。实际上，越来越多的客户已经开始通过具备更高整合效率、更高主频、更大缓存、以及更佳内存可靠性的底层架构来支撑缓存数据库，打造高性能、高可用、易管理的缓存数据库底座，让业务插上黑科技的翅膀，腾飞翱翔。
主流的缓存数据库有哪些？
缓存是一种通用的设计模式：这种模式一般利用增加存储空间的方式，实现低速部件与高速部件之间的解耦。也就是说，实现了解耦的地方就有存在缓存的可能，既然解耦是计算机系统架构设计中最常用的手段，那么缓存就必将在IT系统和架构中无处不在，如CPU内部缓存，客户端浏览器缓存，Web服务器缓存，应用程序缓存，数据库缓存等。
在各种普遍使用的缓存技术中，基于内存数据库的NoSQL分布式缓存技术在目前的缓存数据库领域得到了广泛的应用。其中最为典型的就是Memcached和Redis这两种高性能分布式内存缓存数据库，一般用来缓存访问的热点数据，减轻物理数据库压力和负载。
Memcached是一个开源、高性能、将数据分布于内存中并使用key-value存储结构的缓存系统。它通过在内存中缓存数据来减少向数据库的频繁访问连接的次数，可以提高动态、数据库驱动之类网站的运行速度。
Memcached基于内存的key-value存储，用来存储小块的任意数据（字符串、对象）。这些数据可以是数据库调用、API调用或者是页面渲染的结果。一般的使用目的是，通过缓存数据库查询结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度、提高可扩展性。
和Memcached不同的是，Redis支持存储的value类型相对更多，包括string(字符串)、list(链表)、set(集合)和zset(有序集合)。这些数据类型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更丰富的操作，而且这些操作都是原子性的。
在此基础上，Redis支持各种不同方式的排序。与Memcached一样，为了保证效率，数据都是缓存在内存中。区别的是Redis会周期性的使用RDB快照的方式，把更新的数据写入磁盘或者使用类似MySQL的AOF日志方式把修改操作写入追加的记录文件，并且在此基础上实现了master-slave(主从)同步。Redis支持将数据同步到多台从数据库上，这种特性对提高读取性能非常有益。
实际案例：缓存数据库底层架构深度分析
通常情况下，客户大部分的分布式缓存系统都基于x86服务器打造，也取得了性能等方面的明显改进，但同时也存在一些问题，比如x86节点的稳定性问题，网络传输时延导致的数据一致性问题，x86节点过多导致的管理问题等。
不管是Memcached还是Redis，都需要一个性能更高，更稳定的硬件平台来支撑。通过对LinuxONE平台的特性研究可以发现，在特定场景下，LinuxONE平台特有的高主频，高密度和高可靠性可以解决很多在x86架构上构建分布式缓存集群过程中遇到的这些问题。
以某客户的Memcached集群方案为例，客户在x86平台上的某应用解决方案如下图所示：
其中，4套Memcached，每套10台机器 10T内存，定期做Dump（大约8T），用于恢复。
客户遇到的问题如下：
1. 约10T的缓存数据库，x86服务器集群平均每月会出现内存故障一次
2. 恢复流程麻烦：如果单台服务器内存损坏故障，同中心3.5小时恢复，他中心5小时恢复
3. 整个硬件环境复杂，管理复杂度高
对应地，IBM LinuxONE部署方案如下图所示：
每台LinuxONE的部署方式如下：
通过对比测试发现，在实现同样性能的前提下，LinuxONE平台具备如下优势：
1. 整合效率：一台LinuxONE整合一个数据中心的关键x86服务器和高端Unix服务器，使用两台即可实现原先需要几十台x86+ 高端Unix服务器的集群搭建，极大地降低了系统复杂度及维护难度；
2. 高性能：LinuxONE的高主频（5.2GHz）大缓存（超过11GB）可确保单个节点的高处理能力和性能；
3. LinuxONE平台内存特有的RAIM高可用技术可以避免内存故障导致的内存库恢复，极大地提升系统可用性；
4. LinuxONE独有的内存通讯技术可以大幅度提升网络带宽，降低通讯时延，提升集群数据一致性；
5. LinuxONE平台高达99.9999%的可用性可以确保系统可用性，同时降低维护复杂度。
注：
LinuxONE 内存高可用技术RAIM全称为Redundant Array of Independent Memory，与RAID冗余磁盘阵列设计原理相同，每个CPU芯片上的内存控制器（MCU）控制5根内存DIMM，其中1根作为校验数据，可避免单一内存条发生故障导致整个系统无法运作。
RAIM内存高可用技术示意图
不仅是Memcached，LinuxONE平台在Redis这样的缓存数据库的应用场景中同样具备这些优势。可以说LinuxONE和缓存数据库的结合，是缓存数据库追求最高可用性和一致性的黄金组合。其“以一敌百”的数据中心整合效率和众多黑科技带来的优势，让LinuxONE成为缓存数据库的最佳底座，帮助企业提供更加敏捷创新与稳定安全的高性能服务。
LinuxONE黑科技详解
LinuxONE是IBM推出的以传统“零宕机”硬件为基础的企业级开放Linux服务器。在硬件层面，提供了非常强大的底层支撑平台，从而在“相同的简单易用”基础之上，可以带给客户“与众不同的能力和体验”。
LinuxONE的强大能力，可以用”3高6黑”简单概括，3高是指LinuxONE超越任何其它平台的3种超高能力，即“高性能、高可靠和高密度”。
高性能是因为LinuxONE配置了所有商用服务器里最高的5.2GHz主频的处理器以及总量超过11GB的4级大缓存，再加上高达192个的IO插槽从而为客户提供最为强大的计算和IO处理的能力。
在高可靠方面，LinuxONE提供了N+1的全冗余体系架构，这里面涵盖了CPU，内存，IO、电源、风扇、控制台等等，从而使得LinuxONE单机就可达到6个9的可靠性。而内存数据库对于内存的可靠性要求尤为重要，LinuxONE作为业内唯一实现内存全冗余架构的硬件平台，通过RAIM技术实现了内存芯片及内存条间的双重高可用，从而保证无论是内存芯片故障或者内存条故障，均不会影响内存数据库的稳定运行。
在高密度方面，LinuxONE除了具备强大的纵向扩展能力，横向方面单机可支持85个逻辑分区，超过8000个的虚机，以及2百万个容器，从而可以用以一顶百的方式实现高密度的集约化部署。
而“3高6黑”里的6黑是指LinuxONE所配备的6种黑科技，这更多的是针对企业级计算里面涉及到的很多非常集中的需求，比如数据的压缩排序和加解密的需求，以及虚拟化环境各种应用负载或虚拟服务器之间的通讯，隔离，时钟同步的需求。
LinuxONE在硬件层面做了很多针对性的优化，从而使得这些高频需求的处理效率或者安全性可以得到大幅的提升。比如LinuxONE的芯片压缩支持高达260GB/s的超大规模吞吐能力，可以帮助客户节省大量存储空间，节省网络带宽，缩短数据传输时间等等。
时钟同步方面，我们可以确保同一设备内的所有分区和虚机的精准同步，以及在跨多台设备的集群同步方面达到微秒级的精度，这对于分布式内存数据库集群会有很大的作用，因为分布式内存数据库对于节点间的时间同步往往有着苛刻的要求。
LinuxONE的第六大黑科技是基于内存的通信技术SMC-D/SMC-R。在分布式架构中，节点和节点之间会有大量的数据交互，节点越多，负载越高，大量数据的交互带来的网络开销、CPU开销越明显，甚至有可能还会影响网络的可靠性和应用的效率。LinuxONE基于内存高速通信技术是基于(R)DMA标准协议，对应用透明，提供更快的通信，与使用普通网卡相比，流工作负载的吞吐量提高20倍，CPU消耗减少85％以上，响应时间缩短95％；交互式工作负载的吞吐量最多提高16倍，与网络相关的CPU消耗最多降低40％，响应时间最多缩短94％。
LinuxONE是业内唯一全冗余智能容错架构服务器，单机就能实现硬件层面的全冗余，LinuxONE平均硬件无宕机时间超过40年，是业内最稳定的服务器，足以承载数据库计算节点的可用性需求。LinuxONE具备商用服务器最高等级EAL5+的安全技术认证，确保LPAR的隔离性和安全性。节点间通过SMC-D高速内存虚拟网络进行数据交互，低延时，高吞吐，更稳定。
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