80后聊架构:必知必会,3类数据库高可用与一致性架构实践 | 架构师之路(9)

科技   2024-11-18 18:28   北京  
《架构师之路:架构设计中的100个知识点》
9.数据库高可用与一致性架构实践

上一篇《数据库扩展性架构实践》聊的是数据库架构设计中的scalability实践,并没有解决availability与consistency的问题。


数据库架构设计的过程中,如何折衷高可用与一致性的问题呢?


前面的文章聊过,高可用的核心方法论是:冗余(replication) + 故障自动转移(fail-over


最容易想到的,是数据库主从集群,每份数据都进行复制,每个实例都独享 DISK/MEM/CPU 资源,避免实例之间的资源竞争。

如上图所示:
(1)把整体数据存储分复制了N份,每份之间数据都一样;
(2)每份数据的 DISK/MEM/CPU 都在一个DBMS进程内,部署在一台服务器上;
(3)每份数据的资源之间的没有竞争;

理想很丰满,现实很骨感,思路没问题,但实际执行“复制”的过程中,会碰到一些问题。

以MySQL为例,有3种常见的复制方式
(1)异步复制
(2)半同步复制
(3)组复制

第一种,异步复制(Asynchronous Replication)

又叫主从复制(Primary-Secondary Replication),是互联网公司用的最多的数据复制与数据库集群化方法,它的思路是,从库执行串行化后的主库事务。
其核心原理如上图所示:
(1)第一条时间线:主库时间线;
 - 主库执行事务
 - 主库事务串行化binlog
 - binlog同步给从库
 - 主库事务提交完成

(2)第二条/第三条时间线:从库时间线;
 - 收到relay log
 - 执行和主库一样的事务
 - 生成自己的binlog(还可以继续二级从库)
 - 从库事务提交完成

从这个时间线可以看到:
(1)主库事务提交;
(2)从库事务执行;
是并行执行的,主库并不能保证从库的事务一定执行成功,甚至不能保证从库一定收到相关的请求,这也是其称作“异步复制”的原因。

第二种,半同步复制(Semi-synchronous Replication)

为了解决异步复制中“不能保证从库一定收到请求”等问题,对异步复制做了升级。
其核心原理如上图所示:
(1)第一条时间线:主库时间线;
 - 主库执行事务
 - 主库事务串行化binlog
 - binlog同步给从库
 - 等从库确认收到请求,主库事务才提交完成

(2)第二条/第三条时间线:从库时间线;
 - 收到relay log
 - 执行和主库一样的事务,并给主库一个确认
 - 生成自己的binlog(还可以继续二级从库)
 - 从库事务提交完成

从这个时间线可以看到:
(1)主库收到从库的ACK,才会提交;
(2)从库收到请求后,事务提交前,会给主库一个ACK;

半同步复制存在什么问题呢?
(1)主库的性能,会受到较大的影响,事务提交之前,中间至少要等待2个主从之间的网络TTL;
(2)从库仍然有延时,主从之间数据仍然不一致;
(3)主从角色有差异,主节点仍然是单点;

大数据量,高并发量的互联网业务,一般不使用“半同步复制”,更多的公司仍然使用“异步复制”的模式。

最后是MySQL5.7里,新提出的MySQL组复制。

第三种,组复制(MySQL Group Replication,MGR)

MGR有一些帅气的能力:
(1)解决了单点写入的问题,一个分组内的所有节点都能够写入
(2)最终一致性,缓解了一致性问题,可以认为大部分实例的数据都是最新的
(3)高可用,系统故障时(即使是脑裂),系统依然可用;
如上图所示:
(1)首先,分组内的MySQL实例不再是“主从”关系,而是对等的“成员”关系,故每个节点都可以写入;
(2)其次,增加了一个协商共识的认证(certify)环节,多数节点达成一致的事务才能提交;
画外音:Garela也是此类机制。

结尾稍作总结,为了折衷数据库高可用,一致性,性能等架构设计要素,一般有三类常见复制方式:
(1)异步复制,传统主从,互联网公司最常用;
(2)半同步复制,从库确认,主库才提交;
(3)组复制,MySQL 5.7的新功能,核心在于分布式共识算法;

知其然,知其所以然。
思路比结论更重要。

补充阅读材料
一致性架构模式:弱一致/强一致/最终一致

https://cs.fyi/guide/consistency-patterns-week-strong-eventual

23年1月一篇关于一致性架构模式的短文,10分钟读完。

==全文完==

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短视频第10期:3种fail-over架构模式

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