MySQL高可用性方案分析

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MySQL数据库是目前开源应用最大的关系型数据库，有海量的应用将数据存储在MySQL数据库中。存储数据的安全性和可靠性是生产数据库的关注重点。

MySQL Replication

MySQL Replication是MySQL官方提供的主从同步方案，用于将一个MySQL实例的数据，同步到另一个实例中。Replication为保证数据安全做了重要的保证，也是现在运用最广的MySQL容灾方案。Replication用两个或以上的实例搭建了MySQL主从复制集群，提供单点写入，多点读取的服务，实现了读的scale out。

图1. MySQL Replication主从复制集群

如图一所示，一个主实例（M），三个从实例（S），通过replication，Master生成event的binlog，然后发给slave，Slave将event写入relaylog，然后将其提交到自身数据库中，实现主从数据同步。对于数据库之上的业务层来说，基于MySQL的主从复制集群，单点写入Master，在event同步到Slave后，读逻辑可以从任何一个Slave读取数据，以读写分离的方式，大大降低Master的运行负载，同时提升了Slave的资源利用。

对于高可用来说，MySQL Replication有个重要的缺陷：数据复制的时延。在通常情况下，MySQL Replication数据复制是异步的，即是MySQL写binlog后，发送给Slave并不等待Slave返回确认收到，本地事务就提交了。一旦出现网络延迟或中断，数据延迟发送到Slave侧，主从数据就会出现不一致。在这个阶段中，Master一旦宕机，未发送到Slave的数据就丢失了，无法做到数据的高可用。

为了解决这个问题，google提供了解决方案：半同步和同步复制。在数据异步复制的基础之上，做了一点修改。半同步复制是Master等待event写入Slave的relay后，再提交本地，保证Slave一定收到了需要同步的数据。同步复制不不仅是要求Slave收到数据，还要求Slave将数据commit到数据库中，从而保证每次的数据写入，主从数据都是一致的。

基于半同步和同步复制，MySQL Replication的高可用得到了质的提升，特别是同步复制。基于同步复制的MySQL Replication集群，每个实例读取的数据都是一致的，不会存在Slave幻读。同时，Master宕机后，应用程序切换到任何一个Slave都可以保证读写数据的一致性。但是，同步复制带来了重大的性能下降，这里需要做一个折衷。另外，MySQL Replication的主从切换需要人工介入判断，同时需要Slave的replaylog提交完毕，故障恢复时间会比较长。

MySQL Fabric

MySQL Fabric是MySQL社区提供的管理多个MySQL服务的扩展。高可用是它设计的主要特性之一。

Fabric将两个及以上的MySQL实例划分为一个HA Group。其中的一个是主，其余的都是从。HA Group保证访问指定HA Group的数据总是可用的。其基础的数据复制是基于MySQL Replication，然后，Fabric提供了更多的特性：

失效检测和恢复：Fabric监控HA Group中的主实例，一旦发现主实例失效，Fabric会从HA Group中剩余的从实例中选择一个，并将其提升为主实例。

读写均衡：Fabric可以自动的处理一个HA Group的读写操作，将写操作发送给主实例，而读请求在多个从实例之间做负载均衡。

图2. Fabric

MHA

MHA（MySQL-master-ha）是目前广泛使用的MySQL主从复制的高可用方案。MHA设计目标是自动实现主实例宕机后，从机切换为主，并尽量降低切换时延（通常在10-30s内切换完成）。同时，由MHA保证在切换过程中的数据一致性。MHA对MySQL的主从复制集群非常友好，没有对集群做任何侵入性的修改。

MHA的一个重点特性是：在主实例宕机后，MHA可以自动的判断主从复制集群中哪个从实例的relaylog是最新的，并将最新从实例的差异log“应用”到其余的从实例中，从而保证每个实例的数据一致。通常情况下，MHA需要10s左右检测主实例异常，并将主实例关闭从而避免脑裂。然后再用10s左右将差异的log event同步，并启用新的Master。整个MHA的RTO时间大约在30s。

MySQL Cluster

MySQL Cluster是一个高度可扩展的，兼容ACID事务的实时数据库，基于分布式架构不存在单点故障，MySQL Cluster支持自动水平扩容，并能做自动的读写负载均衡。

MySQL Cluster使用了一个叫NDB的内存存储引擎来整合多个MySQL实例，提供一个统一的服务集群。如图三所示。

图3. MySQL Cluster组成

MySQL Cluster由SQL Nodes，DataNodes，和NDB Management Server组成。SQL Nodes是应用程序的接口，像普通的mysqld服务一样，接受用户的SQL输入，执行并返回结果。Data Nodes是数据存储节点，NDB Management Server用来管理集群中的每个node。

MySQL Cluster采用了新的数据分片和容错的方式来实现数据安全和高可用。其由Partition，Replica，Data Node，Node Group构成。

Partition：NDB一张表的一个数据分片，包含一张表的一部分数据。

Replica：一个Partition的拷贝。一个Partition可以有一个或多个Replica，一个Partition的所有Replica数据都是一致的。

Data Node：Replica的存储载体，每个Node存储一个或多个Replica。

Node Group：一个Data Node的集合。

图4. MySQL Cluster数据高可用

一个MySQL Cluster有4个Node，被分为了两个Grou。Node1和2归属于Group0，Node3和4归属于Group1,。有一张表被分为4个Partition，并分别有两个Replica。Partition0和Partition2的两个Replica，分别存储在Node1和Node2上，Pratition1和Partition3的两个Replica分别存在Node3和Node4上。这样，对于一张表的一个Partition来说，在整个集群有两份数据，并分布在两个独立的Node上，实现了数据容灾。同时，每次对一个Partition的写操作，都会在两个Replica上呈现，如果Primary Replica异常，那么Backup Replica可以立即提供服务，实现数据的高可用。

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