Масштабирование OLTP приложений:

Аннотация
SQL Server многократно доказал возможность поддержки самых нагруженных OLTP приложений
SQL Server 2012 предлагает дополнительные возможности в части масштабируемости и производительности
Возможные подходы по оптимизации ПО и серверной части для обеспечения масштабируемости

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

Особенности OLTP нагрузки
Обычно организуется бизнес приложениями
Интенсивные запись и чтение
Относительно «мелкие» вставки и обновления
Высокая интенсивность транзакций: десятки тысяч в секунду
Транзакции обычно коротки: захватывают 1–3 таблицы
Иногда транзакции реализованы многоступенчатыми: например для финансовых приложений
Работа с относительно небольшими объемами данных

Принципы построения приложений
Логическое проектирование
Физическое проектирование
ER модель
Индексы
При проектировании следует учитывать, что SQL Server ориентирован на работу с наборами данных (set-oriented processing)
Для проектирования рекомендуется Visual Studio\Entity Framework и DTA (Database Tuning Advisor) для оптимизации индексов
DTA – только инструмент и не всесилен

Что следует учитывать при проектировании
Любое приложение требует качественного проектирования, высоко нагруженное – особенно
Качественный логический (E-R Model) и физический (индексы) дизайн – верный путь к производительности
SQL Server работает с наборами данных, перебирать индивидуальные записи – путь к проблемам
Помимо качественного проектирования нужно помнить, что БД требует обслуживания
Обновление статистики
Обслуживание индексов
Для облегчения работы можно использовать DTA, но думать все равно придется
Множественные соединения -> риск некачественных планов
Промежуточные таблицы часто работают быстрее
Теперь о физическом дизайне...

Что следует учитывать при физическом проектировании
Изменения физического дизайна могут быть вызваны
Требованиями производительности
Требованиями доступности
Требованиями разграничения доступа
Требованиями аудита
По возможности следует разделять файлы данных и журналы транзакций
Не пожалейте время на анлиз работы/использования индексов
Sys.dm_db_index_...
Дисковая активность OLTP приложений требует от стойки большого числа операций ввода\вывода в секунду
Дисковая активность аналитических приложений требует от дисковой стойки большого объема ввода\вывода (МБ\Сек)
Смешанные приложения требуют и того и другого
1 ядро способно перемолоть до 200 Мб\сек
1 диск (классический) способен обеспечить 150-180 операций ввода\вывода в секунду
Канал Диск-Контроллер-HBA-Процессор должен иметь соответствующую мощность

Рекомендации по кластерным индексам
Хороши для ранговых запросов
Разумно создавать на часто используемых полях, участвующих в запросе в форме (JOIN и WHERE с указанием “=“, “<“, “>“, “BETWEEN”)
Если возврат невелик, некластерный индекс также эффективен
Предпочтителен на узких, монотонных, редко изменяемых полях с невысокой повторяемостью данных
Ничего не дается даром:
Обновления реорганизуют таблицу (page split)
Негативное влияние на производительность
Со временем фрагментация может нарастать (GUID – идеальный пример)
Очень кратко, полноценное обсуждение требует отдельного разговора

Рекомендации по некластерным индексам
Создавайте для полей, часто участвующих в поиске
Используйте на узких полях с невысокой повторяемостью
Используйте на foreign key constraints (для поддержки join)
Проверьте возможность использования «покрывающих» индексов
Проверьте возможность использования included полей
Не забывайте: стоимость сопровождения
Интенсивные обновления требуют дополнительных усилий по актуализации индексов
Рассмотрите возможность удаления индексов с небольших таблиц

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

Что определяет и что мешает масштабируемости
Измерения
Интенсивность транзакций
Число одновременно работающих пользователей
Объем данных и темпы роста объемов
Ресурсы
ЦПУ
Память
Ввод\вывод
Сеть
Основной подход в проектировании и оптимизации: разделяй и властвуй

Типичные проблемы перегруженного CPU
Симптомы
Компиляция и рекомпиляция планов
Plan reuse < 90% - предмет для анализа
Параллельные планы исполнения
Ожидания типа CXPACKET > 10% от суммарного времени ожидания
Большое число runnable tasks или значительные ожидания SOS_SCHEDULER_YIELD
Причины
Запросы не параметризированы
Неэффективные планы
Недостаточное использование хранимых процедур (большинство запросов отсылаются напрямую)
MAXDOP > 1
Статистика устарела
Trace flag 2371 для SQL Server 2008 R2 SP1
Массивные сканирования
Как результат неэффективных планов
Как результат устаревшей статистики
Изменения настроек SET внутри SP
Следует максимально использовать хранимые процедуры и параметризированные запросы

Типичные проблемы перегруженной стойки
Симптомы
Высокое значение времени отклика дисковой подсистемы (> 30 msec) для «шпиндельных» устройств
В числе первых находятся ожидания - ASYNCH_IO_COMPLETION, IO_COMPLETION, LOGMGR, WRITELOG, PAGEIOLATCH_x
Причины
Массивные сканирования (для некачественных планов)
Отсутствие покрывающих индексов
Смешанный характер приложения:
Одна и та же БД обслуживает OLTP и аналитику
Чрезмерная нагрузка на TempDB
Недостаток шпинделей, узкий канал через HBA
OLTP приложения создают множество мелких операций ввода\вывода случайного характера (Random IO)

Типичные проблемы блокировок
Симптомы
Высокие значения ожиданий на блокировку записей или latch
Видны при мониторинге
sp_configure “blocked process threshold” и Profiler “Blocked process Report”
Наиболее значимые ожидания групп LCK_x. Видны по данным sys.dm_os_wait_stats.
Причины
Завышенный уровень изоляции
Высокие затраты на обслуживание индексов
Эскалация блокировок
Низкая производительность подсистемы ввода\вывода
Проблема генерации последовательных номеров
Использование RCSI/Snapshot isolation может помочь делу

Типичные проблемы использования памяти
Симптомы
Показатель Page life expectancy < 300 сек
Для серверов с большим объемом памяти и гораздо большее значение может быть тревожным
SQL Cache hit ratio < 99%
Lazy writes/sec постоянно активны
Ошибки Out of memory
Причины
Слишком много массивных сканирований (I/O)
Неоптимальные планы
Внешнее (от других процессов) давление по памяти
Постарайтесь избавиться от сканирований в планах
Используйте WSRM для иных чем SQLServer процессов на сервере

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

Средства обеспечения производительности и масштабируемости в среде SQL Server 2008 R2
Оптимизация планов запросов
Plan guides
Optimize for Unknown
Указания по эскалации блокировок
Resource governor
Развитые средства диагностики – Xevent, DMV’s
Поддержка более чем 64 процессоров
Динамическая привязка процессоров (affinity -программная или аппаратная)
Поддержка «горячей» замены процессоров
Сжатие данных
Особенно, если есть проблемы со вводом\выводом
Секционирование
До 15000 секций
Snapshot Isolation, RCSI
Utility Control Point для группового мониторинга серверов

Plan Guide
Направить оптимизатор в верном направлении с фиксированным планом
Обеспечивает стабильность поведения
План можно извлечь напрямую из кеша
При невозможности применения запрос все равно выполняется
Использовать при невозможности изменить приложение
Простой пример
SELECT TOP 1 * FROM Sales.SalesOrderHeader ORDER BY OrderDate DESC;
sp_create_plan_guide @name = N'Guide2', @stmt = N'SELECT TOP 1 * FROM Sales.SalesOrderHeader ORDER BY OrderDate DESC', @type = N'SQL', @module_or_batch = NULL, @params = NULL, @hints = N'OPTION (MAXDOP 1)';

Optimize for Unknown
OPTIMIZE FOR UNKNOWN
Указатель велит оптимизатору рассматривать запрос, как если бы ему не передавали параметров
Помогает решить проблему создания некачественных планов для определенных значений параметров
Пример
@p1=1, @p2=9998,
SELECT * FROM t WHERE col > @p1 or col2 > @p2 ORDER BY col1 OPTION (OPTIMIZE FOR (@p1 UNKNOWN, @p2 UNKNOWN))

Управление эскалацией
Перед отключением эскалации нужно проверить действительно ли она – причина проблем
Эскалацию отключать следует на уровне объекта или таблицы
Разрешите выполнить эскалацию на уровень секции
ALTER TABLE T1 SET (LOCK_ESCALATION = AUTO);
Может приводить к невиданным ранее Deadlock’ам!
При эскалации на уровне секции эскалация на уровне таблицы не происходит

Resource Governor
Преимущества
Прогнозируемое качество услуг
Предотвращает run-away запросы
Контролирует «недисциплинированные» приложения
Обеспечение сценариев DW & Консолидации
SQL Server 2008 RG
Группы нагрузки связываются с Ресурсным пулом
Динамическое изменение групп и пулов
Мониторинг ресурсов в реальном времени
До 20 ресурсных пулов (64 в SQL Server 2012)
Min Memory 10%
Max Memory 20%
Max CPU 20%
Admin Workload
Backup
Admin Tasks
OLTP Workload
OLTP
Activity
Report Workload
Ad-hoc
Reports
Executive
Reports
High
Max CPU 90%
Application Pool
Admin Pool

Extended Events (XEvent)
Высокопроизводительный и расширяемый механизм трассировки событий
Динамический сбор данных при возникновении событий
Интегрирован с ETW (Event Tracing for Windows)
Позволяет выяснить взаимосвязь между событиями Windows и приложениями третьих фирм
SQL Server способен создавать сотни перехватываемых событий
Позволяет (в том числе) набирать статистику ожиданий на уровне сессии/индивидуальной команды

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

SQL Server 2012 – Availability groups
Распределение нагрузки по нескольким серверам
Оперативная обработка
Отчетность
Администрирование (резервные копии, DBCC,…)

Расширение числа Online операций в SQL Server 2012
Добавление not-NULL поля с указанным DEFAULT
ALTER TABLE
ADD COLUMN
DEFAULT
Операции CREATE, ALTER и DROP INDEX поддерживают ONLINE режим для таблиц/индексов с BLOB типами данных
Online операции
Больше операций от прикладного слоя, меньше блокировок, выше производительность

Максимальное число секций
SQL Server 2005 поддерживает до 1000 секций
1000 секций позволяют
Секция каждый час => 1 месяц (24 x 31 = 744)
Секция каждый день => 2 года (365 + 366 = 731)
SQL Server 2008 R2/2012 поддерживает 15000 секций
Секция каждый час => 1 год (24 x 366 = 8784)
Секция каждый день => 40 лет (40 * 365 + 10 = 14 610)

15,000 секций в SQL Server 2012
Портирована в предыдущие версии 2008 SP2 и 2008 R2 SP1 но
По умолчанию присутствует в SQL Server 2012
Имея >1,000 секций в SQL Server 2012 поддерживаются
database mirroring
log shipping
репликация
SSMS
Повышение производительности – оптимизация использования памяти
Изменен алгоритм сбора статистики при более чем 1000 секций – sampling
Оптимизирован алгоритм блокировок. Нет длительных задержек на schema stability lock
Не поддерживается
Более 1000 секций на таблицу\индекс на x86 системах
Не выравненные индексы на таблице с более чем 1000 секциями

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

Тестирование приложений
Более тщательное тестирование производительности\ функциональности
Способно определить потенциальные несовместимости версий, не распознаваемые Upgrade Advisor:
Тестирование ad-hoc T-SQL, создаваемых прикладным слоем
Тестирование фактического исполнения T-SQL, не только синтаксис
Тестирование конфигурации разграничения доступа
Может включать настройки уровня операционной системы
Определение различий в планах, длительности и результатах
Определение использования недокументированных объектов/возможностей
Определение очень редких, но возможных случаев, когда новая версия не отрабатывает запрос или меняет поведение запроса, но (пока) не документирована
Не является обязательным для всех приложений, но рекомендуется для
Критичных приложений
Сложных приложений
Приложений, в которых запросы в основном создаются вне SQL Server и/или динамически

Контроль качества/Пром. среда
Тестовая среда
Перехват
Воспроизведение
(до)
Воспроизведение
(после)
Сравнение
Отчет
Тестирование приложений

План
Особенности OLTP нагрузки
Принципы построения OLTP приложений
Что определяет и что мешает масштабируемости
SQL Server 2008 R2 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 - обеспечение производительности и масштабируемости
SQL Server 2012 Distributed replay для тестирования (регулярного, при обновлении, проверке совместимости,…)
Вертикальное масштабирование - "тяжелое железо"
Заключение

Основные компоненты
Дисковая подсистема
Сетевой адаптер
Память
Сетевая инфраструктура
1
5
3
4
2
Размещение файлов БД
HBA
Задача – построить сбалансированную систему
SQL Server – только часть уравнения.
Конфигурация должна масштабироваться.

Концепция - NUMA
При увеличении числа процессоров, скорость шины начинает ограничивать производительность
Symmetric Multiprocessor Architecture
Foreign memory access > local memory access
Поддержка более > 64 процессоров использует NUMA

Конфигурация дисковой подсистемы
Тенденция
За последние 10 лет емкость дисков выросла в 100 раз
При этом время доступа снизилось только в 10 раз
Конфигурация нагруженных систем должна учитывать не только емкость, но интенсивность и характер нагрузки
Solid State Disks становятся все более популярными
Конфигурация
Масштабирование посредством увеличения числа HBA, дисков
При использовании рекомендованного RAID 10 используйте HBA, способные выполнять одновременное чтение с дисков зеркала
Для балансировки нагрузки следует использовать multipathing
HBA Queue Depth – значение умолчания - 32 часто слишком мало
Конфигурация должна обеспечивать малое время отклика < 10 msec
Для OLTP важно IOPs
Для аналитических систем важно MB\Sec
Один процессор способен потребить 200 MB\sec

Сетевая инфраструктура
Тенденции
Gigabit – теперь стандарт
Сетевые карты 10GBit Ethernet доступны для использования – особенно востребованы для iSCSI
Полоса пропускания часто не является проблемой
Узким местом часто является нехватка мощности для параллельной обработки сетевых прерываний
Конфигурация
Используйте Windows Server 2008 R2
Предлагает распределенную обработку DPC на множестве процессоров
Рекомендуется по одной сетевой карте для NUMA узла; максимально 4 - 8 ядер на сетевую карту
Используйте Adapter teaming
Используйте Windows Server 2008 R2 для доступа к новому функционалу

Что мы можем – SQL Server в крупнейших инсталляциях

Заключение
SQL Server и Windows вместе обеспечивают масштабируемую среду для поддержания самых нагруженных OLTP приложений
Качественное проектирование (и тестирование) – путь к надлежащей масштабируемости