高可用的本质: 复制
Posted luoxn28
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了高可用的本质: 复制相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
服务和数据的高可用性本质上是靠“复制”来解决的，比如服务通过集群部署多台机器来完成，数据通过冗余的多副本机制来完成。对于服务来说，只需要部署多个实例即可，特别是无状态服务，常见的微服务(dubbo/spring cloud)几乎都是通过集群部署对外提供服务能力，更进一步的还可使用k8s+docker技术自动管理服务的副本容量；对于数据来说，需要通过数据复制来保证数据节点的一致性，由于数据是有状态的，因此实现难度较服务复制成本要高。
复制除了提高可用性之外（多机房数据复制提高机房容错性），还可以提高性能，比如读写分离、使数据副本离用户更近等，用户可优先就近读取数据。对于数据来说，常见的复制策略有主从复制、多主复制和无主复制，除了这些之外，还有一种常见的广义上“复制”策略-快照，比如Redis快照等。本文就针对上述几种复制策略展开分析，话不多少，Let‘s go~
本文后续讨论的复制无特殊说明都是针对数据复制来分析的，这里的复制讨论都是基于一个节点能保存所有数据为前提，因为数据量过大需要使用分区机制，而分区机制不在本文讨论范围之内 :(
主从复制
如果数据不随着时间而变化，那么只需复制一次即可，复制的难处在于数据始终在变化，因此复制时有很多权衡，比如是否同步，复制失败的副本如何处理等。主从复制是常见的复制策略，写操作发生在主节点，然后将更新的数据同步到从节点。基于主从的复制模型如下：
主从复制是许多数据库的内置功能，比如PostgreSQL（从9.0版本开始），mysql，Oracle Data Guard和SQL Server等，当然也有一些非关系型数据库也支持此类功能，比如MongoDB等，不仅仅是数据库，像kafka（分区的多副本）和rabbitmq的队列为了实现高可用，也实现了主从复制功能，甚至一些存储设备本身也具有复制机制。
同步复制和异步复制
复制中一个重要的细节是同步复制还是异步复制，同步复制拥有更强的数据一致性保证，如果主库失效可以保证能在从库中找到对应数据；但是缺点也很突出，那就是从库会拖慢复制性能，如果从库故障或者网络原因，主库无法处理请求直到从库或者网络正常为止。在多从库场景中，针对网络异常或者单个从库故障的异常场景，可以使用quorum机制来保证大多数节点复制OK即可（比如zookeeper的主从同步机制），或者广播复制只要有一个从库复制OK即可（比如MySQL的半同步机制）。
异步复制拥有更好的性能保证，异步不影响请求的处理，主节点请求处理之后可以继续处理下一个请求，但是异步复制由于是最终一致性的体现，所以存在一定的数据不一致时期。如果主库失效，所有尚未同步给从库的数据会丢失。大多数场景下使用异步复制策略就能满足业务场景，如果业务对数据一致性有较高的要求，可以使用同步复制机制或者将请求发给主节点处理。
新从库
有时候需要替换故障从库或者新增从库，如何确保新从库和主库数据一致呢？简单的从主节点快照数据复制到新从库是不行的，因为数据始终可能发生更新；锁定主库然后进行快照复制也不值得推荐，因此这违背了高可用原则。启动新从库，理论上可以做到不停机，过程如下：
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某个时刻获取主库快照，大多数数据库都具备该功能；
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将快照复制到新从库节点并应用；
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从库连接到主库，开始拉取快照触发之后发生变更的数据，这要求快照与主库复制日志中的位置可以精确关联，比如MySQL中的?进制?志坐标（binlog coordinates）；
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当从库追上主库之后，二者达到一致状态，可以继续处理后续数据变更了。
并不是所有场景都能不停机起新从库，比如升级从库时有的数据库复制协议不能向后兼容，还有分区扩容场景下的复制等。
复制日志
主从复制底层由以下几种实现方案，比如基于语句、基于WAL（预写日志）、基于行日志和基于触发器等，不同方案有不同的优缺点，下面简要分析下：
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基于语句：最简单的同步方式，主库将每个更新语句（udpate/delete/create）都转发给从库，从库解析之后应用到本地，这种方式看上去很合理，不过如果sql中包含非确定值函数的语句，则会造成主从库不一致，比如NOW()获取当前时间；
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基于WAL：数据库的数据故障恢复能力，一般都是基于预写日志实现，因为直接写到数据页或索引中相当于随机写，而预写日志是追加方式的顺序写，性能较高；PostgreSQL和Oracle等使?这种复制?法，主要缺点是?志记录的数据?常底层：WAL包含哪些磁盘块中的哪些字节发?了更改（比如Mysql redo日志），这使复制与存储引擎紧密耦合。如果数据库将其存储格式从?个版本更改为另?个版本，通常不可能在主库和从库上运?不同版本的数据库软件；
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基于行日志：也称为逻辑日志，关系型数据库通常是基于行粒度来描述数据的写入序列，对于插入的行，行日志包含所有列的值；对于更新操作，行日志包含列更新前后的值，MySQL的binlog日志就是基于这种方式实现的（statement模式下）；
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基于触发器：上面几种复制策略都是数据库本身提供的机制，而基于触发器机制涉及到应用程序代码，当数据有更新操作时触发对应的用户程序进行对应的复制逻辑。
复制延时问题
异步复制模式下存在复制延时问题，当网络异常或者服务异常时延时问题更严重，有的业务对数据延时容忍度较大，比如用户信息更新对于其他用户可见来说，延时一定时间无所谓。在读写分离场景中，如果读都是走从库并且存在延时较长时，会出现用户刚更新完信息查看信息还是老的，好像刚才更新的数据丢失了，也就是说 ?户写?后从旧副本中读取数据，这种情况需要读写一致性来保证。这是?个保证，如果?户重新加载??，他们总会看到他们??提交的任何更新。它不会对其他?户的写?做出承诺：其他?户的更新可能稍等才会看到。它保证?户??的输?已被正确保存。
在主从复制场景中，应该如何实现读写一致性呢？首先可以明确的是，在可能存在复制延时场景中需要从主库读取数据，比如当前用户查看更新自己的信息都走主库，或者用户更新完成之后读取数据都走主库等。如果是公共信息（多个用户可以同时编辑）的更新操作，可以在客户端增加更新时间戳，在时间戳最近一定时间内的所有读取操作都走主库。
多主复制
主从复制要求更新操作都走主库，如果客户端无法连接到主库则不能进行更新，而基于多主复制的策略中，允许多个节点接收写入操作。复制仍然以同样的?式发?：处理写?的每个节点都必须将该数据更改转发给所有其他节点， 称之为多领导者配置（也称多主、多活复制，比如多机房的异地多活）。在这种情况下，每个领导者同时扮演其他领导者的追随者。
多主复制场景
比较常见的多主复制场景是多数据中心，要求每个数据中心都有一个主库，每个数据中心内部使用主从同步，数据中心之间是多主复制，也就是一个数据中心的主库会复制其他数据中心主库的数据，多数据中心的多主复制如下图：
多数据中心对于公司服务运维能力要求较高，一般只有较大公司才玩的转，毕竟是有一定成本的。多数据中心对于服务来说，需要进行挺大的改造的，比如主键ID就需要接入分布式ID方案，不能采用单机数据库的ID自增方案；多数据中心的多主复制方案可以容忍数据中心停机而不中断服务，大大提高公司对外服务高可用性。
写入冲突
讨论多数据中心的写入冲突之前，先看下协同编辑场景中存在的写入冲突问题，协同编辑比如google docs允许多人同时对一个文件进行编辑操作，为了解决冲突，可以采取用户在编辑前锁定文档，然后编辑之后另一个用户才能编辑，但是这种方案锁粒度太大，因此可以使用更小粒度的方案，比如针对文档中的一个单元格进行锁定操作。
多领导者复制的最?问题是可能发?写冲突，这意味着需要解决冲突，常见的冲突解决可以采用版本思想，比如按照最新时间戳，最大版本号等，但是这种方案可能导致数据覆盖丢失问题；除了版本思路之外，还可以保留冲突数据，当用户再次查看数据时，让用户选择使用哪一个冲突版本的数据，比如git的merge冲突等。
无主复制
?些数据存储系统采?不同的?法，放弃主库的概念，并允许任何副本直接接受来?客户端的写?。由于无主复制没有主库概念，但是也要保证多副本机制，因此需要在客户端向多个从节点进行写操作，比如bookkeeper的写入策略，就是客户端并发些，只要收到大多数数据节点的ack就认为此次数据写入成功，这样就能保证数据的“一致性”。
快照技术
快照技术就是将当前数据状态存储到文件，便于存档，当故障发生时可以使用最近一次的快照恢复数据，由于快照执行一次的成本相对较大，但是为了保证快照数据具有实时性，因此会折中在多少次更新操作或者多长时间后触发一次快照操作，比如Redis会默认当900s内有一次更新操作，或者300s内有10次更新操作，或者60s内有10000次更新操作，就会触发RDB持久化（Redis数据快照）。常说的快照技术也就是全量数据保存，还有一种是增量数据保存，比如Redis中的AOF持久化策略。
小结
俗话说，要想提高可用性就进行一次复制操作；如果再想提高可用性，那就再复制一次。复制的本质是冗余数据，提高可用性，注意，复制也不是冗余越多越好，毕竟越多网络开销更大，从而影响整体服务性能，需要根据特定场景特定考虑，一般针对数据来说，冗余3份即可。
复制可分为同步复制和异步复制两种模式，一般来说前者有较高的数据一致性保证，后者有更好的性能保证。复制策略常见的有主从同步、多主同步和无主复制等，主从同步模式容易理解，无主复制需要应用程序多做一些额外的操作保证数据一致性。快照技术也是一种复制模式，常见于本地数据的归档保存，比如于故障恢复场景。复制是为了解决高可用问题，如果数据量更大，往往会使用分区+复制的策略来保证高性能和高可用性。
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