分布式数据库与MySQL：架构差异与选型指南

一、核心架构差异：从单点到分布式

MySQL作为传统关系型数据库的代表，采用单节点或主从复制架构。其数据存储、计算和事务处理集中在单一节点或通过主从同步实现有限扩展。例如，MySQL InnoDB存储引擎依赖本地磁盘存储，事务通过Undo Log和Redo Log实现ACID，但跨节点事务需依赖XA协议，性能开销显著。

分布式数据库（如TiDB、CockroachDB）则通过分片（Sharding）和副本（Replica）技术将数据分散到多个节点。以TiDB为例，其架构分为三层：

1. PD（Placement Driver）：全局元数据管理，负责分片路由和负载均衡
2. TiKV：存储层，采用Raft协议保证副本一致性
3. TiDB Server：计算层，无状态服务处理SQL解析和优化

这种架构下，数据按Range或Hash分片存储，跨节点查询通过分布式执行计划协调。例如，执行SELECT * FROM orders WHERE user_id=100时，TiDB会定位到包含该用户数据的TiKV节点，而非全表扫描。

二、性能与扩展性对比

1. 水平扩展能力

MySQL的扩展主要依赖垂直升级（升级CPU/内存）或主从复制。主从架构下，写操作仍集中在主节点，从节点仅用于读扩展。当数据量超过单机存储容量（如10TB以上）时，需手动分库分表，引入应用层路由逻辑。

分布式数据库天然支持水平扩展。以CockroachDB为例，其分片（Range）默认大小为64MB，当数据增长时自动分裂并重新分配。测试数据显示，在3节点集群中，CockroachDB的TPS（事务每秒）随节点数线性增长，而MySQL主从架构在超过5个从节点后，写性能因同步延迟下降30%。

2. 事务处理模型

MySQL通过InnoDB引擎实现ACID事务，但跨分片事务需依赖两阶段提交（2PC），导致性能下降。例如，在分库分表场景下，跨库事务的延迟比单库高5-10倍。

分布式数据库采用分布式事务协议优化性能。TiDB使用Percolator模型，将大事务拆分为多个小事务，通过Timestamp Oracle（TSO）分配全局版本号，实现快照隔离（Snapshot Isolation）。测试表明，在100节点集群中，TiDB的分布式事务延迟仅比单节点高1.2倍。

三、分布式数据库的优缺点分析

优点

1. 高可用性：通过多副本和Raft协议，实现自动故障转移。例如，TiDB在单个节点故障时，30秒内完成主从切换，业务无感知。
2. 弹性扩展：支持在线扩容，无需停机。CockroachDB的ALTER TABLE ... SPLIT AT命令可手动触发分片分裂，适应数据倾斜。
3. 全球部署：支持多地域部署，降低延迟。如YugabyteDB通过同步复制实现跨地域强一致，RPO（恢复点目标）=0。

缺点

1. 复杂性增加：需处理分布式事务、跨节点查询优化等问题。例如，TiDB的EXPLAIN ANALYZE需显示分布式执行计划，调试难度高于MySQL。
2. 运维成本高：需监控节点状态、分片平衡等。CockroachDB的crdb-internal表存储元数据，需定期检查分片分布。
3. 生态兼容性：部分MySQL特性（如存储过程、触发器）支持有限。TiDB虽兼容MySQL协议，但复杂存储过程需重写。

四、技术选型建议

1. 选型场景：

   • MySQL适用场景：数据量<1TB、读多写少、强事务一致性要求（如金融交易）。
   • 分布式数据库适用场景：数据量>10TB、需要水平扩展、全球低延迟访问（如电商、物联网）。

2. 迁移策略：

   • 从MySQL迁移至TiDB时，建议先通过dumpling工具导出数据，再使用tidb-lightning导入，避免业务中断。
   • 分布式数据库的SQL优化需关注分片键选择。例如，在TiDB中，将user_id作为分片键可避免跨节点查询。

3. 监控体系：

   • 分布式数据库需监控分片不平衡、Raft选举延迟等指标。TiDB的Prometheus+Grafana方案可实时显示PD调度状态。

五、未来趋势

随着云原生发展，分布式数据库与Kubernetes的集成成为趋势。例如，CockroachDB的Operator可自动管理节点生命周期，简化运维。同时，NewSQL技术（如Spanner的TrueTime）进一步降低分布式事务延迟，推动分布式数据库在核心业务中的普及。

对于开发者，建议从POC（概念验证）开始，在测试环境模拟分片分裂、节点故障等场景，验证分布式数据库的稳定性。企业用户则需评估长期TCO（总拥有成本），分布式数据库的硬件成本可能低于商业数据库，但需投入更多运维资源。