随着向量数据集的增长,可能达到数百万甚至数十亿条目,并且用户查询量增加,单个数据库实例将不可避免地成为瓶颈。存储容量和搜索计算能力(尤其是近似最近邻搜索,我们稍后会进行说明)都将成为限制因素。正如传统数据库处理大规模数据一样,向量数据库也需要能将负载和数据分散到多台机器上的机制。这个过程通常被称为横向扩展或向外扩展。横向扩展:基础大型数据系统通常采用横向扩展以提升性能和容量。这种方法涉及向集群添加更多机器(节点),并将数据和工作负载分布到这些机器上。在向量数据库中,分片和复制是支撑横向扩展的两种基本技术。分片:数据划分分片是将数据集水平划分为多个数据库节点的过程。每个分区或分片都包含总向量数据的一个子集,并可能包含其关联的元数据。当你索引新向量时,它们会根据所选策略(例如,对向量ID进行哈希、随机分配或有时基于元数据)分配给特定的分片。优势:分布式存储: 总数据集大小可以超出任何单个节点的容量。并行处理: 索引和搜索操作可以在分片之间并行进行。当搜索查询到达时,它可能会同时广播到所有相关的分片。每个分片在其本地数据子集上执行搜索,然后将结果聚合后返回给用户。这会大幅减少搜索延迟,而非搜索单个庞大索引。考量:分片策略: 数据的分布方式影响负载均衡和查询效率。查询路由: 数据库需要一种方式(通常是协调器节点或客户端内的逻辑)将查询引导至合适的分片并聚合结果。对于典型的最近邻搜索,查询通常需要发送到所有包含向量数据的分片,因为最接近的向量可能存在于任何分片中。digraph G { rankdir=LR; node [shape=box, style=filled, fillcolor="#a5d8ff"]; edge [color="#495057"]; subgraph cluster_0 { label = "向量数据库集群"; bgcolor="#e9ecef"; style=rounded; Coordinator [label="查询路由器 / 协调器", fillcolor="#ffec99"]; Node1 [label="节点 1\n(分片 A)"]; Node2 [label="节点 2\n(分片 B)"]; Node3 [label="节点 3\n(分片 C)"]; Coordinator -> Node1 [label="查询分片 A"]; Coordinator -> Node2 [label="查询分片 B"]; Coordinator -> Node3 [label="查询分片 C"]; Node1 -> Coordinator [label="结果 A"]; Node2 -> Coordinator [label="结果 B"]; Node3 -> Coordinator [label="结果 C"]; } Query [shape=plaintext, label="传入\n搜索查询"]; Results [shape=plaintext, label="聚合\n结果"]; Query -> Coordinator; Coordinator -> Results [label="聚合"]; }分片向量数据库中查询处理的简化图。协调器将查询路由到相关分片,并聚合它们各自的结果。复制:数据副本复制涉及在不同节点之间创建和维护数据的多个副本。在向量数据库中,通常复制分片。因此,你可能不再只有一个节点负责分片 A,而是有两到三个节点各自持有分片 A 的相同副本。优势:高可用性与容错: 如果持有特定分片(或副本)的节点出现故障,其他副本可以继续处理该数据的请求。这可以防止数据丢失并最大限度地减少停机时间。读取可扩展性: 读取操作(如搜索查询)可以分布到同一分片的多个副本上。这提高了系统可以处理的整体查询吞吐量,因为对同一数据分片的多个查询可以由不同的副本同时处理。考量:一致性: 保持副本完全同步可能具有挑战性。许多系统选择最终一致性,这意味着副本在写入操作后可能会在短时间内略微不同步,但最终会趋于一致。这通常是性能和可用性之间可接受的权衡。存储成本: 复制本身会增加存储需求,因为你存储了数据的多个副本。写入复杂性: 写入操作(添加、更新或删除向量)必须在分片的所有副本之间进行协调,这会增加开销。digraph G { rankdir=LR; node [shape=box, style=filled, fillcolor="#a5d8ff"]; edge [color="#495057"]; subgraph cluster_0 { label = "分片和复制集群"; bgcolor="#e9ecef"; style=rounded; Coordinator [label="查询路由器 / 协调器", fillcolor="#ffec99"]; subgraph cluster_A { label = "分片 A 副本"; bgcolor="#d0bfff"; style=rounded; NodeA1 [label="节点 1\n(分片 A, 副本 1)"]; NodeA2 [label="节点 4\n(分片 A, 副本 2)"]; } subgraph cluster_B { label = "分片 B 副本"; bgcolor="#96f2d7"; style=rounded; NodeB1 [label="节点 2\n(分片 B, 副本 1)"]; NodeB2 [label="节点 5\n(分片 B, 副本 2)"]; } subgraph cluster_C { label = "分片 C 副本"; bgcolor="#ffc9c9"; style=rounded; NodeC1 [label="节点 3\n(分片 C, 副本 1)"]; NodeC2 [label="节点 6\n(分片 C, 副本 2)"]; } Coordinator -> NodeA1 [label="查询/写入"]; Coordinator -> NodeA2 [label="查询/写入"]; Coordinator -> NodeB1 [label="查询/写入"]; Coordinator -> NodeB2 [label="查询/写入"]; Coordinator -> NodeC1 [label="查询/写入"]; Coordinator -> NodeC2 [label="查询/写入"]; NodeA1 -> Coordinator [label="结果"]; NodeA2 -> Coordinator [label="结果"]; NodeB1 -> Coordinator [label="结果"]; NodeB2 -> Coordinator [label="结果"]; NodeC1 -> Coordinator [label="结果"]; NodeC2 -> Coordinator [label="结果"]; } Query [shape=plaintext, label="传入\n搜索查询"]; Results [shape=plaintext, label="聚合\n结果"]; Query -> Coordinator; Coordinator -> Results [label="聚合"]; }一个同时使用分片(A、B、C)和复制(副本 1、副本 2)的集群图示。查询可以在副本之间进行负载均衡,以实现读取可扩展性和容错。写入操作需要在副本之间进行协调。权衡实施分片和复制会带来操作上的复杂性。管理分布式集群、确保数据一致性、优雅地处理节点故障以及有效地平衡负载,都需要向量数据库系统内更完善的机制。不同的向量数据库平台在这些方面提供不同程度的自动化和控制。虽然单节点设置初期较为简单,但当你规划生产部署或评估不同的向量数据库产品时,了解这些扩展做法很重要,因为它们直接影响到大规模部署时的性能、可用性和成本。