第1章 TiDB的整体架构

近年来，随着移动互联网、云计算、大数据和人工智能等技术的飞速发展，给各行业带来了深刻的影响和变革，使得企业的数据量越来越庞大，应用的规模也越来越复杂。在这个背景下，传统的单机数据库已经在很多场景下表现的力不从心，为了解决海量数据平台的扩展性的问题，TiDB分布式数据库应运而生。TiDB是当今开源NewSQL数据库领域的代表产品之一，相比传统的单机数据库，TiDB有以下的一些优势：

1）纯分布式架构，拥有良好的扩展性，支持弹性的扩缩容
2）支持SQL，对外暴露MySQL的网络协议，并兼容大多数MySQL的语法，在大多数场景下可以直接替换MySQL
3）默认支持高可用，在少数副本失效的情况下，数据库本身能够自动进行数据修复和故障转移，对业务透明
4）支持ACID事务，对于一些有强一致性需求的场景友好，例如：银行转账
5）具有丰富的工具链生态，覆盖数据迁移、同步、备份等多种场景

TiDB分布式数据库最初的设计受到Google内部开发的知名分布式数据库 Spanner和F1 的启发，在内核设计上将整体的架构拆分成多个大的模块，大的模块之间互相通信，组成完整的TiDB系统。大的架构如下：

这三个大模块相互通信，每个模块都是分布式的架构，在TiDB中，对应的这几个模块叫做：

1）TiDB（tidb-server，https://github.com/pingcap/tidb）：SQL层，对外暴露MySQL协议的连接endpoint，负责接受客户端的连接，执行SQL解析和优化，最终生成分布式执行计划。TiDB层本身是无状态的，实践中可以启动多个TiDB实例，客户端的连接可以均匀的分布在多个TiDB实例上以达到负载均衡的效果。tidb-server本身并不存储数据，只是解析SQL，将实际的数据请求转发给底层的存储层TiKV。

2）TiKV（tikv-server，https://github.com/pingcap/tikv）：分布式KV存储，类似NoSQL数据库，作为TiDB的默认分布式存储引擎，支持完全弹性的扩容和缩容，数据分布在多个TiKV存储节点中，系统会动态且自动进行均衡，绝大多数情况下不需要人工介入。与普通的NoSQL系统不一样的是，TiKV的API能够在KV键值对层面提供分布式事务的原生支持，默认提供了SI（Snapshot Isolation）的隔离级别，这也是TiDB在SQL层面支持分布式事务的核心，上面提到的TiDB SQL层做完SQL解析后，会将SQL的执行计划转换为实际对TiKV API的调用。所以实际上数据都是存储在TiKV中。另外，TiKV中的数据都会自动维护多副本（默认为3），天然支持高可用和自动故障转移。TiFlash是一类特殊的存储节点，和普通TiKV节点不一样的是，在TiFlash内部，数据是以列式的形式进行存储，主要的功能是为分析型的场景加速。后面的章节会详细介绍。

3）Placement Driver（pd-server，简称PD，https://github.com/pingcap/pd）：整个TiDB集群的元信息管理模块，负责存储每个TiKV节点实时的数据分布情况和集群的整体拓扑结构，提供dashboard管控界面，并为分布式事务分配事务ID。PD不仅仅是单纯的元信息存储，同时PD会根据TiKV节点实时上报的数据分布状态，下发数据调度命令给具体的TiKV节点，可以说是整个集群的大脑，另外PD本身也是由至少3个对等节点构成，拥有高可用的能力。