亞馬遜云科技打破“CAP”魔咒，持續引領云原生數據庫“再創新”

眾所周知，隨著數據成為關鍵生產要素，新興軟硬件技術快速發展，各行各業的數據呈指數式增長，傳統集中式數據庫面對海量數據存儲、高并發等場景的“局限性”愈發突顯，而分布式數據庫憑借高可用、高可擴展性、高性價比等優勢，不但被對數據庫要求最嚴苛的金融行業所認可，同時也逐漸被應用在更廣闊的領域。

但也要看到，分布式數據庫一直受到“CAP”原則的制約，它指的是在一個分布式系統中，一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分區容錯性（Partition tolerance），這三個要素最多只能同時實現兩點，不可能三者兼得。這也就意味著，在部署分布式數據庫產品時，開發者必須根據系統的需求和業務場景，在一致性、可用性和分區容錯性之間進行權衡和選擇。

那么，是否有一種“十全十美”的解決方案，能夠打破分布式數據庫面臨的“CAP”魔咒呢？

在剛剛舉辦的亞馬遜云科技 re:Invent 2024，正式宣布推出Amazon Aurora DSQL和Amazon DynamoDB global tables兩個全新功能，就能夠全面滿足一些特殊工作負載對跨區域運行、強一致性、低延遲、高可用性的嚴苛需求，由此不僅徹底解決了困擾數據庫產業半個世紀之久的CAP“困境”，更引領了整個云原生數據庫領域的“再創新”，其價值可謂重要而深遠。

01.

解讀分布式數據庫的“CAP”困境

根據IDC調研顯示，分布式數據庫為解決企業數據承載困難的問題提供一個較好的解決思路，特別是過去幾年，隨著分布式數據庫的實際應用價值和技術驗證的穩固，不僅包括中小型金融機構，其他諸如電信運營商、交通運輸等高度依賴數據庫且業務復雜度相似的行業，也都將加速選擇分布式數據庫，因此2024年將進入分布式數據庫大規模部署階段。

但不可否認的是，在相當長的時間里，分布式數據庫無法同時達成低延遲、高可用性和強一致性，這個“不可能三角”也被稱之為“CAP”魔咒。

具體而言，Consistency（一致性），由于分布式環境存在多個節點，這些節點上的數據在同一時間所存儲的數據必須是一致的，這就是一致性協議；Availability（可用性），即任何時刻需要保證服務的可用和穩定；Partition Tolerance（分區容錯），即某個時刻出現網絡或者硬件不可用，甚至宕機，其它的機器也要能保證正常可用。在分布式數據庫的應用中，CAP三件事不能同時兼得。也正因此，從實踐上來看，行業用戶只能基于不同的應用場景，通過妥協的方式達到一定程度的兼顧。

比較典型的如CP模式（一致性+分區容錯性），即在對數據一致性要求較高的場景下，如銀行系統、金融交易系統等，通常會選擇CP模式。在CP模式下，系統會優先保證數據的一致性，即使在網絡分區的情況下，也會暫時犧牲部分可用性，以確保所有節點的數據都是一致的。

而AP模式（可用性+分區容錯性），則是對可用性要求較高、可以容忍一定數據不一致的場景，如社交網絡、新聞網站等，通常會選擇AP模式。在AP模式下，系統會優先保證可用性，即使在網絡分區的情況下，也會繼續提供服務，但是可能會出現數據不一致的情況；

最后是CA模式（一致性+可用性），在理論上，CA模式是不存在的，因為在分布式系統中，網絡分區是不可避免的，而一旦發生網絡分區，就無法同時保證一致性和可用性。但是，在一些特殊的場景下，比如系統的規模較小、網絡環境較為穩定等，可以近似地實現 CA模式。

對于大多數的分布式系統來說，“CAP”原則具有十分重要的指導意義，而這也意味著行業用戶只能選擇選擇CP，或者AP以及CA，始終無法完成“CAP”的突破，而受到“CAP”原則的制約，分布式數據庫未來的長遠發展也難以“更上層樓”。

特別是在數據服務場景越來越多樣化的今天，對分布式數據庫所具備的數據一致性級別要求將會越來越高。不僅如此，隨著越來越多微服務的廣泛應用，還需要分布式數據庫能夠支持跨集群、跨表分區、跨數據塊的數據一致性等。從這個角度來看，打破分布式數據庫的“CAP”魔咒，不僅是“趨勢所在”，更是“迫在眉睫”。

02.

亞馬遜云科技徹底打破“CAP”魔咒

在此背景下，在re:Invent 2024大會上，亞馬遜云科技推出了全新的Amazon Aurora DSQL，這是專為下一代Aurora打造的無服務器分布式SQL的數據庫，具有迄今為止最快的讀寫速度，能夠實現跨區域部署及無限擴展，輕松實現99.999%的高可用性，且具有數據強一致性，零基礎設施運維等特點，徹底打破了困擾數據庫久遠的“CAP”魔咒。

在亞馬遜云科技CEO Matt Garman看來，傳統的“CAP”原則限制了分布式數據庫未來發展和影響力，而亞馬遜云科技一直倡導創新文化，通過不斷的創新和突破，并基于Amazon Aurora端到端的優勢構建了一套全新的交易體系，由此解決了“CAP”原則的制約。

那么，亞馬遜云科技是如何做到的呢？據了解，全新Amazon Aurora DSQL采用了新理念和新技術來克服分布式數據庫面臨的兩大挑戰：如何在地理位置不同的節點上以低延遲實現強一致性，以及以微秒級精度同步全球服務器。

一方面，新理念，指的是為了在低延遲的情況下實現多區域強一致性，Amazon Aurora DSQL 將事務處理與存儲實現完全“解耦”，Amazon Aurora DSQL只在提交時檢查每個事務，并在提交時并行處理所有區域的所有寫入，從而提供一個具有強大一致性和快速寫入的多區域數據庫。

Matt Garman進一步解釋說，例如用戶有一個跨兩個區域的數據庫，想要完成一個AA事務，事務大概有十個語句。正常來說，一來一回，十個提交十個返回，如果是在同一數據中心，延遲應該非常低，但如果一個在弗吉尼亞，一個在東京，那延遲就高達158毫秒，而如果用戶的事務需要涉及到更多的區域，那么延遲問題就更加嚴重。

為此，亞馬遜云科技通過將事務處理和存儲層分離，提交語句的時候不需要單獨返回，然后同時將所有區域的所有權限并行化，相當于所有區域并行提交指令，統一處理，由此即可在跨區域之間獲得強大的一致性。

另一方面，新技術，指的是以微秒級精度同步全球服務器。當數據分布存儲在全球不同的區域數據中心之中時，往往還會涉及到“時鐘漂移”問題，而為了確保每個區域都能以準確的順序看到每個數據庫操作，Amazon Aurora DSQL還使用了自己的時間同步基礎設施（Amazon Time Sync Service），該服務在每個 EC2實例上添加了硬件參考時鐘，將它們同步到與衛星連接的原子鐘，從而在世界任何地方提供微秒級的精確時間。

確實如此，對于數據庫而言，時間的同步至關重要，這是因為數據庫對于數據的讀寫保證，尤其是支持事物的關系性數據庫，是需要通過嚴格遵循操作的日期順序來實現的，這在一臺機器中實現是非常容易的，但對于分布式數據庫，特別是全球部署的分布式數據庫而言，如何保證在“成百上千臺”服務器節點中去實現時間的同步，卻是“難上加難”的。

為此，亞馬遜云科技打造了時間同步基礎設施，通過采用精確的時鐘，并且通過對比“時間戳”來確定眾多服務器的操作順序，它可以在世界上任何地方提供精確到十億分之一秒誤差的同步時鐘。此外，這個基礎設施中的每一個機架還備有一個本地原子鐘，防止其同步的衛星暫時不可用，由此保證時間的一致性。

正如Matt Garman強調說：“有了重新設計的交易體系和能夠提供微秒級的精確時間，我們不再需要在一致性、可用性和分區容錯性之間進行權衡和選擇。”

更為關鍵的是，基于新理念和新技術打造的Amazon Aurora DSQL還成為了最快的分布式數據庫。數據顯示，Amazon Aurora DSQL與同樣使用原子鐘保證一致性的Spanner進行了比較，對于一個基本的10次事務SQL語句，Amazon Aurora DSQL的讀寫吞吐量是其4倍。

在此基礎上，針對非關系型數據庫（NoSQL），亞馬遜云科技同樣“與時俱進”的推出Amazon DynamoDB global tables，這是第一個完全托管的無服務器NoSQL數據庫，該數據庫現支持多區域強一致性，也能夠確保用戶的多區域應用程序始終讀取最新數據，而無需更改任何應用程序代碼。至此，無論行業客戶需要SQL還是NoSQL，亞馬遜云科技都可以提供在全球可快速擴展的高可用數據庫，支持數據強一致支持，并具備極低的讀寫延遲。

03.

持續引領云原生數據庫“再創新”

值得一提的是，今年恰好也是Amazon Aurora發布的十周年，而過去十年亞馬遜云科技也一直走在數據庫技術創新的最前沿，同時還用自身實力和行動真正踐行了那句老話，那就是在云原生數據庫領域，亞馬遜云科技“一直在引領，從未被超越”。

可以看到，早在2014年，亞馬遜云科技基于log架構 (內部代號 Grover)，打造了Amazon Aurora，它在提供和開源數據庫 MySQL、PostgreSQL 的完好兼容性同時，也能夠提供和商業數據庫媲美的性能和可用性。

發展至今，在性能方面，Amazon Aurora MySQL能夠支持與開源標準MySQL同等配置下五倍的吞吐量，Amazon Aurora PostgreSQL 能夠支持與開源標準 PostgreSQL同等配置下三倍的吞吐量。此外，在擴展性的角度，Amazon Aurora在存儲與計算、橫向與縱向方面都進行了功能的增強和創新。

2018年，Amazon Aurora Serverless正式發布，這是業界最早發布 Serverless 特性的關系型數據庫服務，在 Serverless 技術賦能數據庫的創新層面就具有“劃時代”的意義，特別是與開源托管的數據庫相比，它的性價比提高了3-5倍，因此它不僅改變了傳統數據庫產品的使用方式和管理方式，同時更為企業的“云原生數據基礎設施”提供了更高效、更靈活、更安全、更可靠的數據管理解決方案。

與此同時，在“Zero ETL”領域，Amazon Aurora zero-ETL與Amazon Redshift能夠實現集成功能，也可以更好地幫助客戶近乎實時地分析 PB 級交易數據，由此也讓亞馬遜云科技在“Zero ETL”的目標，再次邁出“關鍵一步”。

而進入2024年，Amazon Aurora DSQL的重磅發布，則代表著Amazon Aurora DSQL打破了“CAP”的魔咒，它結合了亞馬遜云科技在存算分離（Grover）、大規模動態資源分配（Caspian）和分布式系統時鐘同步（Amazon Time-Sync Service）等多項云基礎設施技術創新，實現了分布式數據庫的“可用性+跨區域部署+數據強一致性”，由此也讓分布式數據庫進入了一個全新的時代。

總的來看，當前分布式數據庫已經在諸如金融、制造、政府、電信等領域實現應用和部署，以其彈性易擴容、架構靈活、成本可控等特點，為企業的數智化轉型提供了堅實的保障，而隨著Amazon Aurora DSQL以及Amazon DynamoDB global tables新功能的重磅推出，無疑將讓用戶在選擇分布式數據庫時不再做痛苦的“選擇題”，相信由此也將幫助亞馬遜云科技更好地推動分布式數據庫走入千行萬業，同時持續引領云原生數據庫“再創新”和“再進化”。

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