Nesta página, descrevemos como os dados são replicados no Spanner, os diferentes tipos de réplicas e os papéis deles em leituras e gravações, além dos benefícios da replicação.
Visão geral
O Spanner é replicado automaticamente no nível de bytes. Conforme descrito em Ciclo de vida das leituras e gravações do Spanner, ele aproveita esse recurso do sistema de arquivos em que ele é baseado. O Spanner grava mutações de banco de dados em arquivos nesse sistema de arquivos, e o sistema de arquivos cuida da replicação e recuperação dos arquivos quando uma máquina ou disco falha.
O sistema de arquivos distribuídos subjacente em que o Spanner é criado já oferece replicação no nível de bytes, mas ele também replica dados para oferecer os benefícios adicionais de disponibilidade de dados e localidade geográfica. Em alto nível, todos os dados no Spanner são organizados em linhas. O Spanner cria várias cópias, ou "réplicas", dessas linhas e, em seguida, armazena essas réplicas em diferentes áreas geográficas. O Spanner usa um esquema de replicação síncrona baseado em Paxos, em que as réplicas de votação recebem um voto em cada solicitação de gravação antes que ela seja confirmada. Essa propriedade de replicação globalmente síncrona permite ler os dados mais atualizados de qualquer réplica de leitura/gravação ou somente leitura do Spanner.
O Spanner cria réplicas de cada divisão do banco de dados. Uma divisão contém um intervalo de linhas contíguas, em que as linhas são ordenadas pela chave primária. Todos os dados em uma divisão são armazenados fisicamente juntos na réplica, e o Spanner exibe cada réplica de uma zona de falha independente. Para mais informações, consulte Sobre esquemas.
Um conjunto de divisões é armazenado e replicado usando o Paxos. Dentro de cada conjunto de réplicas Paxos, uma réplica é eleita para atuar como líder. As réplicas líder são responsáveis por processar gravações. Qualquer réplica de leitura/gravação ou somente leitura pode atender a uma solicitação de leitura sem se comunicar com a líder. Em alguns casos, se uma leitura forte é solicitada, a líder normalmente será consultada para garantir que a réplica somente leitura tenha recebido todas as mutações recentes.
Benefícios da replicação do Spanner
Os benefícios da replicação do Spanner incluem:
Disponibilidade dos dados: ter mais cópias de seus dados os torna mais disponíveis para clientes que farão a leitura deles. Além disso, o Spanner ainda pode disponibilizar gravações mesmo que algumas réplicas não estejam disponíveis, porque apenas a maioria das réplicas de votação é necessária para confirmar uma gravação.
Localidade geográfica: com a capacidade de colocar dados em diferentes regiões e continentes com o Spanner, eles podem ficar geograficamente mais próximos dos usuários e serviços que precisam deles e, portanto, ter acesso mais rápido.
Experiência de banco de dados único: o Spanner pode oferecer uma única experiência de banco de dados devido à replicação síncrona e à consistência forte global.
Desenvolvimento mais fácil de aplicativos: como o Spanner está em conformidade com ACID e oferece consistência forte global, os desenvolvedores que trabalham com ele não precisam adicionar lógica extra aos aplicativos para lidar com a consistência posterior, tornando o desenvolvimento de aplicativos e a manutenção subsequente mais rápido e fácil.
Tipos de réplica
O Spanner tem três tipos de réplicas: de leitura/gravação, somente leitura e testemunha. As regiões e topologias de replicação que formam as configurações de instância base são fixas. As configurações de instâncias regionais básicas usam apenas réplicas de leitura/gravação. Configurações básicas de instância birregional usam réplicas de leitura/gravação e testemunha, enquanto configurações de instâncias multirregionais básicas usam uma combinação dos três tipos de réplica. É possível criar configurações de instâncias personalizadas e adicionar mais réplicas somente leitura para configurações de instâncias regionais e multirregionais.
A tabela a seguir resume os tipos de réplicas do Spanner e as propriedades delas:
| Tipo de réplica | Pode votar | Pode se tornar líder | Pode atender leituras | É possível configurar a réplica manualmente |
|---|---|---|---|---|
| Leitura/gravação | sim | sim | sim | não |
| Somente leitura | não | não | sim | sim* |
| Testemunha | sim | não | não | não |
* Para mais informações, consulte como criar uma instância com uma configuração de instância personalizada.
Réplicas de leitura/gravação
As réplicas de leitura/gravação permitem leituras e gravações. Elas:
- mantêm uma cópia completa dos dados;
- atendem a leituras;
- podem votar sobre a necessidade de fazer o commit de uma gravação;
- participam de uma eleição de liderança;
- estão qualificadas para se tornarem líderes;
- são o único tipo usado em instâncias de região única.
Réplicas somente leitura
As réplicas somente leitura aceitam apenas leituras, mas não gravações. Essas réplicas não votam para líderes nem para confirmar gravações. Portanto, elas permitem que você escalone a capacidade de leitura sem aumentar o tamanho do quórum necessário para as gravações. Réplicas somente leitura:
- manter uma cópia completa dos dados, que são replicados a partir de réplicas de leitura/gravação;
- atendem a leituras;
- não participa da votação sobre a confirmação de gravações. Portanto, o local das réplicas somente leitura nunca contribui para a latência da gravação;
Se for a réplica mais próxima do aplicativo, a réplica somente leitura geralmente poderá exibir leituras desatualizadas sem precisar de uma ida e volta até a região líder padrão, supondo que a inatividade seja de pelo menos 15 segundos. Também é possível usar leituras direcionadas para rotear transações somente leitura e leituras únicas para um tipo de réplica ou região específica em uma configuração de instância multirregional. Para mais informações, consulte Leituras direcionadas.
As leituras fortes podem exigir uma ida e volta até a réplica líder. A ida e volta serve apenas para negociar o carimbo de data/hora, e não enviar os dados reais do líder. A negociação do carimbo de data/hora é uma operação eficiente de CPU no líder e, normalmente, os dados já estão a caminho. Essa comunicação é processada automaticamente pelo sistema.
Para mais informações sobre leituras desatualizadas e fortes, consulte a seção Em leituras.
não estão qualificadas para se tornarem líderes.
É possível criar uma configuração de instância regional ou multirregional personalizada e adicionar réplicas somente leitura opcionais para escalonar leituras e oferecer suporte a leituras desatualizadas de baixa latência. Você pode adicionar os locais listados em Região opcional como uma réplica somente leitura opcional. Se o local escolhido não aparecer, solicite uma nova região de réplica somente leitura opcional. Não é possível alterar a topologia de replicação das configurações da instância base, que são fixas.
Todas as réplicas somente leitura opcionais estão sujeitas a custos de capacidade de computação e armazenamento. Além disso, adicionar réplicas somente leitura a uma configuração de instância personalizada não altera os SLAs do Spanner da configuração da instância. Se você optar por adicionar uma réplica somente leitura a um continente que esteja em um continente diferente da região líder, recomendamos adicionar no mínimo duas réplicas somente leitura. Isso ajuda a manter uma baixa latência de leitura caso uma das réplicas somente leitura fique indisponível.
Quando você adiciona réplicas somente leitura, a réplica líder sofre mais
carga de replicação, o que pode afetar o desempenho. Como prática recomendada, teste
cargas de trabalho de desempenho em instâncias de não produção na configuração da instância
personalizada primeiro. Consulte o painel de comparação de latência e capacidade
entre regiões para conferir dados de latência
mediana entre regiões. Por exemplo, se você criar uma configuração de instância personalizada
com a configuração base multirregional eur6 e uma réplica somente leitura opcional
em us-east1, a latência de leitura forte esperada para um
cliente em us-east1 será de cerca de 100 milissegundos devido ao tempo de retorno para a
região líder em europe-west4. Leituras desatualizadas com inatividade suficiente não geram ida e volta e, portanto, são muito mais rápidas. Também é possível usar a métrica Latência por tipo de transação para visualizar dados de latência de transações de leitura/gravação e somente leitura.
Para mais instruções, consulte Criar uma configuração de instância personalizada.
Réplicas testemunha
As réplicas testemunhas não oferecem suporte a leituras, mas participam da votação sobre a confirmação de gravações. Essas réplicas facilitam o recebimento de quóruns para gravações sem os recursos de armazenamento e computação exigidos pelas réplicas de leitura/gravação para armazenar uma cópia completa dos dados e atender leituras. Réplicas testemunha:
- são usadas somente em instâncias multirregionais;
- Não mantenha uma cópia completa dos dados.
- Não disponibiliza leituras.
- votam se é necessário fazer o commit de gravações;
- participam na eleição da líder, mas não estão qualificadas para se tornarem líderes.
O papel das réplicas em gravações e leituras
Nesta seção, descrevemos o papel das réplicas nas gravações e leituras do Spanner, o que é útil para entender por que o Spanner usa réplicas testemunhas em configurações multirregionais.
Em gravações
As solicitações de gravação do cliente são sempre processadas primeiro na réplica líder, mesmo que haja uma réplica não líder mais próxima do cliente ou se a réplica líder estiver geograficamente distante do cliente. Se você usar uma configuração de instância multirregional e seu aplicativo cliente estiver localizado em uma região não líder, o Spanner usará o roteamento com reconhecimento de líder para rotear transações de leitura e gravação dinamicamente a fim de reduzir a latência no banco de dados. Para mais informações, consulte Roteamento com reconhecimento de líder.
A réplica líder registra a gravação recebida e a encaminha, em paralelo, para as outras réplicas que estão qualificadas para votar naquela gravação. Cada réplica qualificada completa a respectiva gravação e, em seguida, responde de volta à líder com uma votação sobre a necessidade de fazer o commit da gravação. O commit da gravação é feito quando a maioria das réplicas da votação (ou "quórum de gravação") concorda sobre isso. Em segundo plano, todas as réplicas restantes (não testemunhas) registram a gravação. Se uma réplica de leitura/gravação ou somente leitura se atrasar no registro das gravações, ela poderá solicitar os dados ausentes de outra réplica que tenha uma cópia completa e atualizada dos dados.
Em leituras
As solicitações de leitura pelo cliente podem ser executadas na réplica líder ou exigir a comunicação com ela, dependendo do modo de simultaneidade da solicitação.
As leituras que fazem parte de uma transação de leitura e gravação são atendidas pela réplica líder, já que ela mantém os bloqueios exigidos para impor a capacidade de serialização.
Os métodos de leitura única (uma leitura fora do contexto de uma transação) e as leituras em transações somente leitura podem exigir a comunicação com a líder, dependendo do modo de simultaneidade da leitura. Saiba mais sobre esses modos de simultaneidade em Tipos de leitura.
As solicitações de leitura forte podem acessar qualquer réplica de leitura e gravação ou somente leitura. Se a solicitação acessar uma réplica não líder, ela precisará se comunicar com a líder para executar a leitura.
As solicitações de leitura desatualizadas são enviadas para a réplica de leitura/gravação ou somente leitura mais próxima disponível que é capturada até o carimbo de data/hora da solicitação. Pode ser a réplica líder se ela for a réplica mais próxima do cliente que emitiu a solicitação de leitura.