ShardingSphere-Proxy 数据库协议交互解读

news2024/9/21 12:24:21

数据库协议对于大部分开发者来说算是比较冷门的知识，一般的用户、开发者都是通过现成的数据库客户端、驱动使用数据库，不会直接操作数据库协议。不过，对数据库协议的特点与流程有一些基本的了解，有助于开发者在排查数据库功能、性能问题的过程中提供一些发现问题的思路。

本文将简要介绍常用的 MySQL、PostgreSQL 等开源数据库协议的特点，并大致解读 ShardingSphere-Proxy 与客户端在数据库协议层面的交互。

文章目录

    • ShardingSphere 接入端介绍
    • 数据库协议特点简要介绍
      • MySQL 协议
      • PostgreSQL 协议
      • openGauss 协议
    • ShardingSphere-Proxy 前端交互流程解读
      • ShardingSphere-Proxy 与数据库协议的关系
      • 接入端整体流程
      • ShardingSphere-Proxy 前端流程
    • 如何向 ShardingSphere 社区反馈疑似 Proxy 协议问题？
      • 问题复现方式简单的可提供 Demo
      • 直接提交问题修复 PR
      • 使用抓包工具捕获客户端与 Proxy 的通讯流量

ShardingSphere 接入端介绍

Apache ShardingSphere 由 ShardingSphere-JDBC 和 ShardingSphere-Proxy 这 2 款既能够独立部署，又支持混合部署配合使用的产品组成。它们均提供标准化的基于数据库作为存储节点的增量功能，可适用于如 Java 同构、异构语言、云原生等各种多样化的应用场景。

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ShardingSphere-JDBC 是一套基于 Java 开发的、实现了标准 JDBC 的 SDK，具备轻量级、高性能等特点，但局限性同样也很明显。不过，ShardingSphere-JDBC 在接入方面的局限性，在接入端 ShardingSphere-Proxy 得以解决：

  • ShardingSphere-Proxy 理论上支持通过任何数据库客户端、数据库驱动连接，不受限于 Java 等基于 JVM 的语言；
  • 简化数据管理。尤其在使用数据分片或加密等功能的场景，使用 ShardingSphere-Proxy 作为统一入口操作数据，无须考虑数据实际存储的节点或手动进行解密等；
  • 提供统一运维管控能力。集群模式下，可以使用 ShardingSphere-Proxy 统一管理 ShardingSphere 规则与配置；
  • 可执行重量级操作。ShardingSphere-JDBC 与应用在同一进程内，重量级计算和 I/O 操作可能会影响应用性能；而 ShardingSphere-Proxy 作为独立进程启动，支持水平扩展，执行重量级操作不影响应用性能。

数据库协议特点简要介绍

目前互联网上已有不少关于 MySQL 或 PostgreSQL 协议的具体解读，本文不再详细介绍，本节主要介绍各数据库协议的特点，例如协议对 Pipelining 的支持、批量操作在协议的体现等。

MySQL 协议

MySQL 协议是典型的“一问一答”协议，例如使用 Prepared Statement 执行一条 SQL，在协议层面需要分别执行 COM_STMT_PREPARE 和 COM_STMT_EXECUTE：
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图片来源 MySQL 文档 https://dev.mysql.com/doc/dev/mysql-server/latest/mysqlx_protocol_use_cases.html

MySQL 自 5.7.12 起增加了一个 X Plugin，让 MySQL 在保持原本关系型存储的基础上，增加了文档类型存储的支持。
X Plugin 使用了一套新的通讯协议 X Protocol，默认使用端口 33060，协议支持 pipelining，即客户端一次可以发送一批命令给客户端，减少“一问一答”的模式带来的 RTT（Round-trip time，来回通讯延时）。例如使用 Prepared Statement 执行一条 SQL，在协议层面分为 Prepare 和 Execute 步骤，但在网络传输层面上，这两个步骤可以合并发送。相比原来的协议，理论上能够减少一次 RTT。
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图片来源 MySQL 文档 https://dev.mysql.com/doc/dev/mysql-server/latest/mysqlx_protocol_use_cases.html

不过，目前 MySQL 的 X Plugin 看起来并没有流行的趋势，大多数场景下客户端和服务端还是基于原本的 MySQL 协议进行通讯。
在批量操作的场景下，MySQL 协议执行 Prepared Statement 语句的命令 COM_STMT_EXECUTE 每次只能发送一组参数，“一问一答”的方式显得效率有些低下：
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图片来源 MySQL 文档 https://dev.mysql.com/doc/dev/mysql-server/latest/mysqlx_protocol_use_cases.html

协议本身设计对批量操作的不支持，只能在客户端层面对批量操作进行优化。

以 MySQL Connector/J 为例，参数 rewriteBatchedStatements 启用后，MySQL Connector/J 内部会把通过 addBatch 方法设置的多组参数，合并 insert values 或将 update / delete 组成多语句，在协议层面一次性发送。通过增加少量 CPU 的开销，换取 RTT 的减少。

例如，对一个 Prepared Statement insert 语句，添加多组参数执行：

INSERT INTO tbl VALUES (?, ?, ?);
addBatch [1, "foo", "bar"]
addBatch [2, "baz", "fuz"]

MySQL Connector/J 实际执行的语句：

INSERT INTO tbl VALUES (1, "foo", "bar"),(2, "baz", "fuz");

对于批量 update / delete，MySQL Connector/J 会通过 COM_QUERY 执行多语句，例如：

UPDATE tbl SET name = ? WHERE id = ?;
addBatch ["foo", 1]
addBatch ["bar", 2]

MySQL Connector/J 实际执行的语句：

UPDATE tbl SET name = "foo" WHERE id = 1;UPDATE tbl SET name = "bar" WHERE id = 2;

PostgreSQL 协议

与 MySQL 协议相比，PostgreSQL 协议定义看起来会更简单一些，而且 PostgreSQL 协议支持 Pipelining。
PostgreSQL 的 Extended Query 将 SQL 执行拆解为多个步骤，常用的几个操作有：

  • Parse：SQL 解析为 Prepared Statement；
  • Describe：获取 Prepard Statement 或 Portal 的元数据；
  • Bind：Prepared Statement 绑定实际参数，产生可执行的 Portal；
  • Execute：执行 Portal；
  • Close：关闭 Prepared Statement 或 Portal。

PostgreSQL JDBC 与数据库的协议交互示例如下：
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在批量操作的场景下，客户端可以将多组参数以连续的 Bind、Execute 一次性发送，虽然在协议层上是多个数据包，但在 TCP 传输层面，每次可以发送一批数据包出去。
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支持 Pipelining 的协议，结合 I/O 多路复用，在吞吐量上存在一定的优势。例如基于多路复用 I/O 的数据库驱动 Vert.x PostgreSQL 曾在 TechEmpower Benchmark 第 15 轮测试的 Single Query 场景（数据库点查）得到第一名的成绩。
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图片来源 https://www.techempower.com/benchmarks/#section=data-r15&test=db

openGauss 协议

openGauss 在沿用 PostgreSQL Protocol 3.0 的情况下，增加了一个 Batch Bind 的消息。PostgreSQL 协议的 Bind 消息一次只能发送一组参数，openGauss 新增的 Batch Bind 支持同时发送多组参数。
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另外，openGauss 在认证安全性方面进行了增强。协议总体流程与 PostgreSQL 一致。

ShardingSphere-Proxy 前端交互流程解读

ShardingSphere-Proxy 与数据库协议的关系

数据库协议如同 HTTP 等协议，是客户端与服务端之间通讯的标准。每个数据库都定义了自己的协议，例如 MySQL 数据库定义了一套自己的协议，还有基于 Protobuf 的 X Protocol；PostgreSQL 也定义了一套自己的协议……

一般用户或开发者都是使用现成的客户端或相应的驱动，协议对于他们来说相对透明。因此，ShardingSphere-Proxy 实现数据库协议并以此对外提供服务，对于用户来说，使用 ShardingSphere-Proxy 就如同使用数据库一样。

目前，ShardingSphere-Proxy 支持的数据库协议具体版本为：

  • MySQL Protocol 4.1（自 MySQL 4.1 起）
  • PostgreSQL Protocol 3.0（自 PostgreSQL 7.4 起）
  • openGauss Protocol 3.00 / 3.50 / 3.51

接入端整体流程

ShardingSphere-Proxy 与 ShardingSphere-JDBC 共用 ShardingSphere 内核模块，对用户提供了不同的接入方式。ShardingSphere-Proxy 是一个独立进程存在，以数据库协议对外提供服务；ShardingSphere-JDBC 是一套 SDK，用户直接通过代码调用。
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ShardingSphere-Proxy 前端流程

ShardingSphere-Proxy 前端使用 Netty 实现数据库协议。基于 Netty 事件驱动的方式处理前端连接，让 ShardingSphere-Proxy 前端可以维护较大数量的客户端连接。协议的拆包、编码逻辑主要在 Netty EventLoop 线程内执行。由于 ShardingSphere-Proxy 后端仍然使用 JDBC 与数据库交互，为避免 Netty EventLoop 线程阻塞，协议数据拆包后，会使用专门的线程池执行 ShardingSphere 内核逻辑、数据库交互。
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PacketCodec 主要进行数据的拆包和编码。在前面的数据库协议介绍提到，PostgreSQL 协议支持 pipelining，能够一次发送一批数据包。

示例：下图是 PostgreSQL 客户端使用 Prepared Statement 执行 select current_schema() 语句所对应的请求协议。Prepared Statement 的 SQL 解析、执行等步骤，由客户端一次性发送给服务端执行。
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服务端接收到的就是一串字节流，如何能够把这一串字节流拆分为多个协议包？

以 PostgreSQL 协议格式为例，除了 Startup Message，每个协议包的格式都是 1 字节消息类型 + 4 字节数据长度（包含长度自身）+ 数据，结构如下：
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MySQL 协议数据包格式与此相似。

PacketCodec 只需遵循协议格式定义，即可把接收到的字节流正确拆分。

字节流拆分后，剩余的步骤就是按照数据库协议解析数据，得到要执行的 SQL 与参数。有了 SQL 与参数后，剩余的执行流程就与通过 ShardingSphere-JDBC 执行 SQL 基本一致。

ShardingSphere-Proxy 后端通过 JDBC 执行 SQL 后，得到的结果集为 Java 对象，PacketCodec 会调用具体的编码逻辑，将 Java 对象按照数据库协议转换为字节流，组装成数据包后响应客户端。

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以上就是 ShardingSphere-Proxy 前端数据库协议交互的大致流程。

如何向 ShardingSphere 社区反馈疑似 Proxy 协议问题？

由于 ShardingSphere-Proxy 与数据库的计算能力存在差异，Proxy 对数据库协议的实现尚未达到 100% 的支持度，在使用过程中难免会存在一些不支持的情况，且不支持的情况在不同的数据库客户端、数据库驱动之间存在一定差异。

当用户在使用 Proxy 的过程中，遇到疑似 Proxy 协议实现不完善导致的问题，本文给出一些反馈问题的建议。

问题复现方式简单的可提供 Demo

如果遇到的问题，能够通过构造出简单的代码复现（例如只需使用 Python 语言并安装一些简单的依赖），可以在 issue 中直接提供复现问题的代码与步骤。

案例：社区同学曾经提交过一个 Django.db 连接 ShardingSphere-Proxy MySQL 的事务问题 https://github.com/apache/shardingsphere/issues/18461

作者在 issue 中提供了复现的方式，为 ShardingSphere 团队修复该问题提供了帮助。

直接提交问题修复 PR

对于一些相对简单的问题，ShardingSphere 团队可以提供修复的思路，有条件的社区同学可以考虑直接提交 PR 修复。

案例：社区同学反馈了一个通过 Python asyncpg 连接 ShardingSphere-Proxy 报错的问题：https://github.com/apache/shardingsphere/issues/23885

该问题为 Python asyncpg 数据库驱动在向 ShardingSphere-Proxy 发送 client_encoding 时，在编码名称上增加了引号。由于 ShardingSphere-Proxy PostgreSQL 没有考虑到编码名称包含引号的情况（PostgreSQL 数据库支持这种情况），导致编码识别报错。
Issue 作者已经具备了复现问题的条件，加上作者具备修复该问题的技能，便在 ShardingSphere 团队的指导下，直接提交了 PR 修复该问题。

使用抓包工具捕获客户端与 Proxy 的通讯流量

对于一些使用异构语言的用户，在使用 ShardingSphere-Proxy 过程中可能会遇到和具体功能不相关、疑似协议层面的问题。由于用户与 ShardingSphere 团队存在技术栈上的差异，ShardingSphere 团队可能无法快速在本地完成问题的复现。此时可以考虑通过捕捉客户端与 ShardingSphere-Proxy 之间网络流量的方式，向 ShardingSphere 社区反馈问题。

抓包工具可以选择 Wireshark 或 tcpdump。工具的使用互联网上有大量资料，本文不展开介绍。

案例：社区同学前段时间提交了一个 .NET MySqlConnector 使用 ShardingSphere-Proxy 报错的问题：
https://github.com/apache/shardingsphere/issues/23857

Issue 中反馈了一个 .NET 连接 ShardingSphere-Proxy 报错的问题，根据堆栈，该报错是在 TryResetConnectionAsync 期间导致的，而且最后抛出异常的地方是在 Protocol 相关代码下，所以这可能是一个 ShardingSphere-Proxy 协议实现与 MySQL 表现不一致导致的问题。

    An error occurred using the connection to database .....

 MySqlConnector.MySqlProtocolException: Packet received out-of-order. Expected 1; got 2.
         at MySqlConnector.Protocol.Serialization.ProtocolUtility.<DoReadPayloadAsync>g__AddContinuation|5_0(ValueTask`1 readPacketTask, BufferedByteReader bufferedByteReader, IByteHandler byteHandler, F
unc`1 getNextSequenceNumber, ArraySegmentHolder`1 previousPayloads, ProtocolErrorBehavior protocolErrorBehavior, IOBehavior ioBehavior) in /_/src/MySqlConnector/Protocol/Serialization/ProtocolUtility.cs:
line 476
         at MySqlConnector.Core.ServerSession.ReceiveReplyAsyncAwaited(ValueTask`1 task) in /_/src/MySqlConnector/Core/ServerSession.cs:line 943
         at MySqlConnector.Core.ServerSession.TryResetConnectionAsync(ConnectionSettings cs, MySqlConnection connection, IOBehavior ioBehavior, CancellationToken cancellationToken) in /_/src/MySqlConnect
or/Core/ServerSession.cs:line 616

由于该问题的复现具备一定的环境搭建成本，不便于 ShardingSphere 团队在本地复现问题，社区同学也提供了客户端与 Proxy 之间协议通讯流量。

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根据协议抓包结果，ShardingSphere 团队立即确认了该问题为 ShardingSphere-Proxy MySQL 数据包编码逻辑实现问题。

🔗 官方网站：
https://shardingsphere.apache.org

🔗 GitHub：
https://github.com/apache/shardingsphere

🔗 Slack：
https://apacheshardingsphere.slack.com

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