一、总体目标
数据库中间层项目背景不再展开，根据前期的调研以及和公司同事的讨论，中间层的核心目标主要有两个：
- db虚拟化：让db对业务线透明(本文的db均指mysql)，业务线不再需要知道db的真实ip，port，主从关系，读写关系，高可用等
- 分库的支持：让db的分库对业务线透明
二、实现的功能
上述目标相对比较宽泛，具体来说，数据库中间层需要实现以下功能。
1. 统一接入入口
如果统一接入入口，从今以后，不再有
- db1.58.com:3306
- db2.58.com:3306
- im.58.com:3306
- jiaoyou.58.com:3306
而只有
- db.58.com:3306
所有的业务线，对db的访问，都只有一个入口，由数据库中间层来进行权限验证，由中间件来路由请求，这是一种***的情况。
当然，统一一个总入口目标有点宏大，可以循序渐进，先各业务线统一读写访问入口，故折衷的目标可以是，从今以后，不再有
- im.read.db1.58.com:3306
- im.read.db2.58.com:3306
- im.write.db.58.com:3306
而只有
- im.58.com:3306
im业务对db的访问，统一到一个入口上来了，由中间层来对请求进行智能路由。
更简化的，甚至可以初期同一个业务线的db读写都不对业务线透明，数据库中间层只做简单的请求转发，先初步的把数据库访问入口收拢到数据库中间层来，为后续的统一，再统一打下基础。
ROAD-MAP规划如下：
- 业务线入口统一(中转请求)
- 业务线入口统一(智能路由)
- 全局入口统一
2. 保持访问接口
原来db的访问方式主要有以上三种：
- 手工用mysql客户端连mysql，直连数据库执行命令
- java使用jdbc连接数据库
- c/c++使用libmysqlclient.a来对mysql进行访问
所谓保持访问接口，是指上游对数据库的访问接口完全不用变，中间件服务对上游来说，就是数据库。
由于SQL协议是非常复杂的，在db的客户端与服务器插入了一个中间层之后，不一定能对所有的SQL功能都进行支持，支持哪些SQL是需要慎重考虑的。
3. 屏蔽读写分离
业务层不需要在关注读写分离，由中间件来进行读写请求路由。
4. 支持的分库
58的db的水平扩展，基本是用的分库的方式(分库比较好，很容易实现实例的扩容)，即：
db.table会水平拆分为：
- db1.table
- db2.table
- db3.table
- db4.table
这样的话，dao层对于table就只有一个table实例了，比较方便。
根据前期与各业务线同学的沟通，58在分库上的业务访问需求为(这个调研的周期比较长，和很多业务线进行了沟通)：
- patition key普通查询
- patition key上的IN查询
- 非patition key上的查询
- 有限功能的排序+分页查询
故对分库上的分布式SQL功能，数据库中间层只需要支持上上述四项即可。
5. 高可用性的支持
高可用的支持又分为两个部分：
***部分，故障自动发现：下游数据库挂了，能够自动发现问题，并报警周知相关人员。
第二部分，故障自动转移：
- 主库挂了，能够自动切换，或者屏蔽写请求
- 从库挂了，能够自动自动切换读请求量流量
- 中间件挂了，自动切换中间件流量，高可用
(6 )可运维性的支持
- 支持一些统计数据的展现
- 支持一些管理命令
- 支持页面话的运维
however，只要总的框架设计具备可扩展性，这些功能可以循序渐进，逐步添加。
三、设计折衷
1. 协议与整体架构
既然选择了mysql client server protocol作为业务层与中间层之间的协议，那么中间层必然是作为mysql-server接收上游的请求，作为mysql-client向真正的mysql发送请求的，中间层的整体结构如下：
这样的话，需要对mysql client server protocol做详尽的研究，了解：
- 连接的建立过程
- 权限认证的过程
- 压缩解压缩的过程
- 请求响应二进制协议各种细节
- …
协议这一块的掌握必须详尽，好在官方文档相对比较全面：
http://dev.mysql.com/doc/internals/en/client-server-protocol.html
2. 架构细节
总体架构细节图如上。
(1) 上游
mysql客户端，java使用jdbc作为上游连接，c/c++使用libmysql.a作为上游连接，使用的是Mysql Client Server协议
DBA也可以向中间件发送一些管理命令，或者查看一些统计信息，使用的是自己定义的内部协议
(2) 下游
处于系统体系结构中的***端，系统中间件的下游就是mysql集群了，中间件与mysql之间使用的也是Mysql Client Server协议。
(3) 中间层-ConfigMgr
中间层配置文件管理组件ConfigMgr是中间层中非常重要的一个部分，请求的转发，读写分离，分库功能的支持，都需要通过配置来完成。
- <mysql>
- <db id=0 logic_db="im"type=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 name="im" />
- </db>
- <db id=1 logic_db="umc"type=2 patition_count=2 key="uid" hash="mod">
- <patition id=0>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3306 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3306 role="r" />
- </patition>
- <patition id=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3316 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3316 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3316 role="r" />
- </patition>
- </db>
- </mysql>
从配置文件可以看出，ConfigMgr需要管理的mysql配置类型有两种：
a. type=1请求转发
- <db id=0 logic_db="im"type=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 name="im" />
- </db>
配置的含义是，上游如果访问逻辑数据库logic_db=”im”，中间件则将请求转发到实际的后端数据库item，item中配置了后端数据库的ip/port/name。
b. type=2分库支持
解释分库支持的配置之前，先说明一下数据库的层次结构LOGIC_DB、PARTITION、ITEM。
- LOGIC_DB：逻辑数据库，面向上游，例如umc
- PARTITION：数据库分区，可以理解为分库，例如umc0和umc1，这个对上游是透明的
- ITEM：数据库项，可以理解为一个分区上的一个读库或者写库，这个对上游也是透明的
上例中对应的配置文件为：
- <db id=1 logic_db="umc"type=2 patition_count=2 key="uid" hash="mod">
- <patition id=0>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3306 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3306 role="r" />
- </patition>
- <patition id=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3316 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3316 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3316 role="r" />
- </patition>
- </db>
- LOGIC_DB：需要关注partition-key-column，也需要关注partition算法，它要实现对PARTITION的请求路由以及结果集的汇总
- PARTITION：需要关注ITEM的读写特性，它要实现对ITEM的读写分离
- ITEM：是最终的数据库，和它相关的配置是数据库ip/port/name/wr-type
(4) 中间层-MysqlServerPart
中间层服务端组件MysqlServerPart是中间层中非常重要的一个部分，它负责端口的监听+请求接收与返回(服务端网络IO)，MysqlProtocol的解析。根据其功能，MysqlServerPart组件又主要分为两个组件ServerIOMgr组件(服务端IO管理)，MysqlProtocolAnalyzer组件(Mysql协议分析)。
这一层次面临这些细节：
- server网络框架的选取：建议使用异步server
- 并发模型的选取：建议使用IO-thread + multi-work-thread的并发模型
- 内存管理模型的选取：建议使用内存池
- 连接上下文管理，最容易想到的上下文，一个数据库连接是和一个逻辑库LOGIC_DB绑定的
- Mysql如何建立数据库连接：需要考察Mysql协议
- Mysql协议的细化解析：需要考察Mysql协议
- …
(5) 中间层-MysqlClientPart
中间层客户端组件MysqlClientPart是中间层中非常重要的一个部分，它负责中间件对mysql的连接池管理，以及返回结果集的解析。根据其功能，MysqlClientPart组件又主要分为两个组件ClientConnPoolMgr组件(客户端连接池管理)，ResultSetAnalyzer组件(返回结果集分析)。
这一层次面临这些细节：
- 数据库连接池的实现
- 数据库连接模型的选型：建议前期使用同步模型
- 连接上下文管理，最容易想到的上下文，一个数据库连接是和一个ITEM绑定的
- Mysql结果集的细化解析：需要考察Mysql协议
- …
(6) 中间层-SqlParser
中间层Sql分析组件SqlParser是中间层中非常重要的一个部分，它负责对sql语句的语法分析与语义分析。
为什么要进行Sql语法语义分析?需要解析出什么东东?
分为两种情况：
a. type=1请求转发
对于请求的中转，上游一个数据库连接对应一个逻辑库LOGIC_DB，由ConfigMgr可以知道对应下游一个真实的ITEM(ip/port/db)，此时直接转发请求即可，无需解析Sql语句。
b. type=2分库支持
对于分库的支持，解析Sql语句可能需要得到这些问题的答案：Sql是否带了partition-key-column?partition-key-column的值是多少?
例如一条Sql语句：select * from user where uid=123456;
就必须将“uid”列属性，以及uid的列属性值“123456”解析出来，以用作后续请求路由。
注意：更细的情况是，针对每个表，分库partition-key-column都是不一样的，上例中还需要将表名user也解析出来。
这一层次面临这些细节：如何解析Sql语句：可以参考mysql源码对SQL语句的解析，亦可参照cober对SQL语句的解析方法;
注：由于我们只需要支持多库，数据库库名信息是在“连接”这一层获取的，又我们支持的分布式Sql的种类有限，故只需解析partition-key-column，offset/limit等少数信息即可。
(7) 中间层-SqlModifier
中间层Sql修改组件SqlModifier是中间层中非常重要的一个部分，它负责对sql语句改写。
为什么要对Sql语句进行改写?
type=1的请求转发，无需修改Sql，但对于type=2的分库支持，有些Sql语句就必须进行改写。
例如：
- select * from user where uid in(1,2,3,4,5,6);
假设PARTITION分了0和1奇偶两个分区，则sql应该分别被改写为：
- select * from user where uid in(2,4,6); => 路由给0库；
- select * from user where uid in(1,3,5); => 路由给1库；
又例如：
- select * from user limit 1000,10;
则sql可能会被改写为：
select * from user limit 0,1010; => 分别路由到两个库，收集完结果集共2020条记录，再排序取其中1000-1010这10条。
哪些Sql需要改写，如何改写?
结合我们需要实现的四类分布式Sql：
- patition key普通查询
- patition key上的IN查询
- 非patition key上的查询
- 有限功能的排序+分页查询
只有(2)和(4)两项需要改写，改写方法上文已述，其中(4)的改写效率较低，使用起来要谨慎。
(8) 中间层-SqlRouter
中间层Sql路由组件SqlRouter是中间层中非常重要的一个部分，它负责对sql语句进行路由。
哪些Sql需要路由，如何路由?
结合我们需要实现的四类分布式Sql：
- patition key普通查询
- patition key上的IN查询
- 非patition key上的查询
- 有限功能的排序+分页查询
只有(1)和(2)两项需要路由，(3)和(4)需要将请求分发至所有的PARTITION。
(9) 中间层-ResultSetMerger
中间层结果集合并组件ResultSetMerger是中间层中非常重要的一个部分，它负责对结果集进行合并，筛选。
哪些Sql需要合并结果集，筛选结果集?
结合我们需要实现的四类分布式Sql：
- patition key普通查询
- patition key上的IN查询
- 非patition key上的查询
- 有限功能的排序+分页查询
其中(2)和(3)类查询需要将结果集进行合并，(4)不但要合并结果集，还需要将结果集在本地进行排序，然后再筛选出真正的结果集。
(10) 其他组件
- AdminServer：监听一个新端口，接收数据库管理员命令的server
- AdminMgr：实现管理员命令的组件
- MonitorMgr：实现监控报警的组件
- StatisticsMgr：实现数据统计功能的组件
上述组件可循序渐进，逐步添加，故一期需要实现的组件及架构图为：
【本文为51CTO专栏作者“58沈剑”原创稿件，转载请联系原作者】
