共享存储或磁盘复制在MySQL高可用性中的应用
2022-12-151.5k 阅读
共享存储在 MySQL 高可用性中的应用
共享存储概述
共享存储是一种允许多个服务器或节点同时访问相同存储设备的技术架构。在 MySQL 高可用性场景中，共享存储扮演着关键角色。通过让多个 MySQL 服务器实例能够访问相同的数据文件，当其中一个实例出现故障时，其他实例可以迅速接管，从而保证数据库服务的连续性。
共享存储通常基于存储区域网络（SAN）或网络附属存储（NAS）技术实现。SAN 提供高速、低延迟的块级存储访问，适用于对性能要求极高的数据库应用；而 NAS 则以文件级共享为主，具有较好的灵活性和成本效益。
共享存储实现 MySQL 高可用性的原理
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数据一致性 在共享存储架构下，多个 MySQL 实例访问的是同一组数据文件。这意味着所有实例看到的数据是完全一致的。例如，当一个实例执行了一条 INSERT 语句，修改了数据文件中的某条记录，其他实例立刻就能看到这个变化。这种数据一致性是高可用性的基础，确保了故障切换时不会出现数据丢失或不一致的问题。
-
故障切换 假设我们有两个 MySQL 实例 A 和 B 共享同一存储。当实例 A 发生故障时，实例 B 可以检测到这个故障（通常通过心跳检测机制），然后迅速接管实例 A 的工作。由于两个实例共享存储，实例 B 可以直接从共享存储中读取数据，继续提供数据库服务，整个过程对客户端来说几乎是透明的。
基于共享存储的 MySQL 高可用架构示例
- 双机热备架构
- 架构描述 在双机热备架构中，有两台 MySQL 服务器，一台作为主服务器（Active），另一台作为备用服务器（Standby）。它们共享一个存储设备，如 SAN 磁盘阵列。主服务器负责处理所有的数据库读写请求，备用服务器则实时监控主服务器的状态。
- 工作流程
- 主服务器正常工作时，处理客户端的请求，并将数据写入共享存储。
- 备用服务器通过心跳检测机制定期检查主服务器的状态。如果发现主服务器无响应（例如网络故障、服务器崩溃等），备用服务器会立即接管主服务器的工作，从共享存储中读取数据，并开始处理客户端请求。
- 代码示例（以 Linux 环境下使用 Pacemaker 和 Corosync 实现双机热备为例）
# 安装 Pacemaker 和 Corosync
yum install pacemaker corosync -y
# 配置 Corosync
vi /etc/corosync/corosync.conf
# 以下是示例配置内容
totem {
version: 2
secauth: off
cluster_name: my_cluster
transport: udpu
token: 1000
}
nodelist {
node {
ring0_addr: mysql1.example.com
nodeid: 1
}
node {
ring0_addr: mysql2.example.com
nodeid: 2
}
}
quorum {
provider: corosync_votequorum
}
# 配置 Pacemaker
pcs cluster auth mysql1.example.com mysql2.example.com -u hacluster -p password
pcs cluster setup --name my_cluster mysql1.example.com mysql2.example.com
pcs cluster start --all
pcs resource create mysql ocf:heartbeat:mysql \
binary="/usr/sbin/mysqld" \
config="/etc/my.cnf" \
pid="/var/run/mysqld/mysqld.pid" \
socket="/var/lib/mysql/mysql.sock" \
op start timeout=60s \
op stop timeout=60s \
op monitor timeout=30s interval=10s
pcs resource group add mysql-group mysql
pcs resource group move mysql-group mysql2.example.com
上述代码中，首先安装了 Pacemaker 和 Corosync 工具，然后配置了 Corosync 的集群信息，包括节点列表等。接着通过 Pacemaker 对 MySQL 资源进行管理，定义了 MySQL 的启动、停止和监控操作，并将 MySQL 资源添加到一个资源组中，最后将资源组初始移动到备用服务器上，以便在主服务器故障时能快速切换。
- 多节点集群架构
- 架构描述 多节点集群架构在双机热备的基础上进行扩展，包含多个 MySQL 服务器节点，它们共同共享存储。这种架构可以提供更高的可用性和性能，通过负载均衡器将客户端请求均匀分配到各个节点上。
- 工作流程
- 负载均衡器接收客户端的数据库请求，并根据预设的算法（如轮询、加权轮询等）将请求转发到各个 MySQL 节点。
- 各个节点从共享存储中读取数据并处理请求，处理结果返回给负载均衡器，再由负载均衡器返回给客户端。
- 如果某个节点出现故障，负载均衡器会检测到并停止向该节点发送请求，其他节点继续提供服务。同时，集群中的其他节点可以自动接管故障节点的部分负载，以保证整个系统的性能。
- 代码示例（以使用 Keepalived 和 HAProxy 实现多节点负载均衡和高可用性为例）
# 安装 Keepalived 和 HAProxy
yum install keepalived haproxy -y
# 配置 HAProxy
vi /etc/haproxy/haproxy.cfg
# 以下是示例配置内容
global
log /dev/log local0
log /dev/log local1 notice
chroot /var/lib/haproxy
stats socket /run/haproxy/admin.sock mode 660 level admin expose-fd listeners
stats timeout 30s
user haproxy
group haproxy
daemon
defaults
log global
mode tcp
option tcplog
option dontlognull
timeout connect 5000
timeout client 50000
timeout server 50000
frontend mysql-frontend
bind *:3306
default_backend mysql-backend
backend mysql-backend
balance roundrobin
server mysql1 mysql1.example.com:3306 check
server mysql2 mysql2.example.com:3306 check
server mysql3 mysql3.example.com:3306 check
# 配置 Keepalived
vi /etc/keepalived/keepalived.conf
# 以下是示例配置内容
global_defs {
router_id LVS_DEVEL
}
vrrp_script chk_haproxy {
script "/etc/keepalived/check_haproxy.sh"
interval 2
weight 2
}
vrrp_instance VI_1 {
state MASTER
interface eth0
virtual_router_id 51
priority 100
advert_int 1
authentication {
auth_type PASS
auth_pass 1111
}
virtual_ipaddress {
192.168.1.100/24 dev eth0 label eth0:1
}
track_script {
chk_haproxy
}
}
上述代码中，先安装了 Keepalived 和 HAProxy。HAProxy 配置文件定义了一个前端监听 3306 端口，后端通过轮询算法将请求分配到多个 MySQL 节点。Keepalived 配置文件则实现了虚拟 IP 的管理和对 HAProxy 的健康检查，确保在 HAProxy 出现故障时能自动切换到备用服务器。
共享存储在 MySQL 高可用性中的优缺点
- 优点
- 数据一致性高：由于所有节点访问同一存储，数据一致性得到了很好的保障，减少了数据同步的复杂性。
- 故障切换速度快：备用节点可以直接从共享存储获取数据，无需进行大量的数据复制，因此故障切换可以在较短时间内完成。
- 架构简单：相比于一些复杂的复制架构，共享存储架构相对简单，易于理解和维护。
- 缺点
- 存储单点故障：共享存储设备本身成为了单点故障源，如果存储设备出现故障，所有 MySQL 节点都将无法访问数据，导致数据库服务中断。
- 成本较高：构建共享存储环境通常需要专业的存储设备（如 SAN 或 NAS），这会增加硬件成本。同时，对存储设备的维护和管理也需要专业的技术人员，增加了运维成本。
- 性能瓶颈：在高并发场景下，共享存储可能成为性能瓶颈，因为多个节点同时访问存储设备可能会导致 I/O 竞争。
磁盘复制在 MySQL 高可用性中的应用
磁盘复制技术原理
磁盘复制是指将一个磁盘或卷上的数据复制到另一个磁盘或卷上的过程。在 MySQL 高可用性领域，磁盘复制通常用于创建数据副本，以便在主服务器出现故障时，备用服务器可以使用这些副本继续提供服务。
磁盘复制可以基于不同的技术实现，常见的有基于硬件的磁盘阵列复制、基于操作系统的卷影复制以及基于应用层的 MySQL 自身复制机制（如二进制日志复制）。
- 基于硬件的磁盘阵列复制
- 原理 许多企业级磁盘阵列设备提供了内置的复制功能。这种复制通常是在块级别进行的，将主阵列上的数据块实时或定期地复制到备用阵列上。例如，一些高端的 SAN 磁盘阵列可以通过配置实现同步或异步复制。
- 同步复制：在同步复制模式下，主阵列在将数据写入本地磁盘的同时，会等待备用阵列确认数据已成功写入。只有当备用阵列确认后，主阵列才会向主机返回写入成功的信号。这种方式确保了主备阵列数据的高度一致性，但由于需要等待备用阵列的确认，可能会对写入性能产生一定影响。
- 异步复制：异步复制则不同，主阵列在将数据写入本地磁盘后，无需等待备用阵列的确认就可以向主机返回写入成功信号。数据会在后台以一定的时间间隔或基于特定的触发条件复制到备用阵列。这种方式对主阵列的写入性能影响较小，但可能会在主备阵列之间存在短暂的数据差异。
- 基于操作系统的卷影复制
- 原理 基于操作系统的卷影复制（如 Windows Server 的卷影复制服务 VSS 或 Linux 的 LVM 快照）允许在不中断应用程序运行的情况下创建卷的一致快照。在 MySQL 中，可以利用这些快照来创建数据副本。
- 工作流程：当需要创建数据副本时，操作系统首先创建一个卷影副本（快照）。这个快照是卷在某个时间点的只读副本。MySQL 可以将这个快照挂载为一个可读的文件系统，然后将数据从快照复制到备用服务器。由于快照是在卷级别创建的，它包含了 MySQL 数据文件、日志文件等所有相关文件，确保了数据的一致性。
- 基于应用层的 MySQL 二进制日志复制
- 原理 MySQL 自身提供了一种基于二进制日志（binlog）的复制机制。主服务器将所有修改数据的操作记录在二进制日志中，备用服务器通过 I/O 线程从主服务器读取二进制日志，并将其记录到自己的中继日志（relay log）中。然后，备用服务器的 SQL 线程会读取中继日志，按照记录的顺序在本地执行相同的操作，从而使备用服务器的数据与主服务器保持同步。
- 配置示例
-- 在主服务器上配置
-- 编辑 my.cnf 文件
[mysqld]
log-bin=mysql-bin
server-id=1
-- 重启 MySQL 服务
service mysql restart
-- 获取主服务器状态
SHOW MASTER STATUS;
-- 记录下 File 和 Position 的值
-- 在备用服务器上配置
-- 编辑 my.cnf 文件
[mysqld]
server-id=2
-- 重启 MySQL 服务
service mysql restart
-- 配置主服务器连接信息
CHANGE MASTER TO
MASTER_HOST='master.example.com',
MASTER_USER='replication_user',
MASTER_PASSWORD='password',
MASTER_LOG_FILE='mysql-bin.000001', -- 替换为主服务器 SHOW MASTER STATUS 中的 File 值
MASTER_LOG_POS=107; -- 替换为主服务器 SHOW MASTER STATUS 中的 Position 值
-- 启动复制
START SLAVE;
-- 检查复制状态
SHOW SLAVE STATUS \G;
上述代码首先在主服务器上开启二进制日志并设置服务器 ID。然后在备用服务器上设置不同的服务器 ID，并通过 CHANGE MASTER TO 语句配置与主服务器的连接信息，包括主服务器的地址、复制用户及密码、主服务器二进制日志文件名和位置。最后启动复制并检查复制状态，确保主备服务器数据同步正常。
基于磁盘复制的 MySQL 高可用架构
- 主从复制架构
- 架构描述 主从复制架构是 MySQL 中最基本的高可用架构之一。它由一个主服务器（Master）和一个或多个从服务器（Slave）组成。主服务器处理所有的写操作，并将数据变化记录在二进制日志中。从服务器通过复制主服务器的二进制日志来保持数据同步。
- 工作流程
- 主服务器接收到客户端的写请求，执行相应的 SQL 语句并修改数据。同时，将这些修改记录在二进制日志中。
- 从服务器的 I/O 线程连接到主服务器，请求获取二进制日志。主服务器将二进制日志发送给从服务器的 I/O 线程，I/O 线程将接收到的日志记录写入中继日志。
- 从服务器的 SQL 线程读取中继日志，并按照记录的顺序在本地执行相同的 SQL 语句，从而使从服务器的数据与主服务器保持一致。
- 优点
- 易于部署：配置相对简单，只需要在主从服务器上进行一些基本的配置即可实现。
- 负载分担：可以将读请求分担到从服务器上，减轻主服务器的负载，提高系统的整体性能。
- 缺点
- 主服务器单点故障：如果主服务器出现故障，需要手动或通过额外的工具将从服务器提升为主服务器，可能会导致一定时间的服务中断。
- 数据延迟：由于复制过程存在一定的时间差，从服务器的数据可能会落后于主服务器，在对数据一致性要求极高的场景下可能不适用。
- 主主复制架构
- 架构描述 主主复制架构实际上是双向的主从复制，即两个 MySQL 服务器互为对方的主服务器和从服务器。每个服务器都可以接收写请求，并将数据变化复制到对方服务器。
- 工作流程
- 当服务器 A 接收到写请求时，它执行写操作并记录二进制日志，同时将日志发送给服务器 B。服务器 B 接收日志并在本地执行，使数据同步。
- 同理，当服务器 B 接收到写请求时，也会将数据变化复制到服务器 A。
- 优点
- 高可用性：相比主从复制，主主复制提高了可用性，因为任何一个服务器出现故障，另一个服务器可以立即接管工作，无需手动切换。
- 负载均衡：两个服务器都可以处理写请求，实现了一定程度的负载均衡。
- 缺点
- 数据冲突：由于两个服务器都可以写数据，可能会出现数据冲突的情况。例如，两个服务器同时对同一行数据进行修改，这就需要额外的机制来解决冲突，增加了系统的复杂性。
- 配置复杂：主主复制的配置比主从复制更为复杂，需要仔细配置服务器 ID、日志等参数，以确保复制的正常运行。
- 多源复制架构
- 架构描述 多源复制架构允许一个 MySQL 从服务器同时从多个主服务器复制数据。这种架构适用于需要整合多个数据源数据的场景，或者需要将多个主服务器的负载分散到一个从服务器上的情况。
- 工作流程
- 从服务器配置多个主服务器的连接信息，每个主服务器都有独立的 I/O 线程和中继日志。
- 从服务器的 I/O 线程分别从不同的主服务器获取二进制日志，并将其记录到相应的中继日志中。
- SQL 线程读取不同的中继日志，在本地执行操作，将多个主服务器的数据合并到从服务器上。
- 优点
- 数据整合：方便整合多个数据源的数据，对于数据仓库等应用场景非常有用。
- 负载分散：可以将多个主服务器的负载分散到一个从服务器上，提高资源利用率。
- 缺点
- 管理复杂：需要管理多个主服务器的连接和复制状态，增加了运维的难度。
- 性能问题：从服务器需要处理多个主服务器的复制请求，可能会在高并发情况下出现性能瓶颈。
磁盘复制在 MySQL 高可用性中的优缺点
- 优点
- 数据冗余：通过复制创建了数据副本，提高了数据的安全性和可用性，即使主服务器出现故障，备用服务器可以使用副本继续提供服务。
- 负载均衡：在主从复制和主主复制架构中，可以将读请求分担到从服务器上，提高系统的整体性能。
- 灵活性：根据不同的需求，可以选择不同的复制架构（如主从、主主、多源复制等），以适应不同的应用场景。
- 缺点
- 数据延迟：在异步复制的情况下，备用服务器的数据可能会落后于主服务器，这在对数据一致性要求极高的场景下可能是一个问题。
- 配置和管理复杂：特别是在多节点、多源复制等复杂架构中，配置和管理的难度较大，需要专业的技术人员进行维护。
- 性能开销：复制过程本身会消耗一定的系统资源，如网络带宽、CPU 和磁盘 I/O 等，可能会对主服务器和从服务器的性能产生一定影响。
共享存储与磁盘复制的比较与选择
性能方面
- 共享存储
- 在低并发场景下，共享存储由于所有节点直接访问同一存储设备，数据读取速度较快，性能表现良好。然而，在高并发场景下，多个节点对存储设备的 I/O 竞争可能会导致性能瓶颈。特别是对于写入操作，同步 I/O 可能会使节点等待存储设备的响应，降低系统的整体性能。
- 例如，在一个有多个 MySQL 节点同时进行大量写入操作的电商订单处理系统中，共享存储的 I/O 竞争可能会导致订单处理速度变慢，用户体验下降。
- 磁盘复制
- 主从复制架构下，主服务器的性能主要受自身处理能力和网络带宽影响，因为需要将二进制日志发送给从服务器。从服务器在复制过程中也会有一定的性能开销，尤其是在高并发写入场景下，SQL 线程应用中继日志可能会成为性能瓶颈。
- 主主复制架构虽然可以分担写负载，但由于需要双向复制数据，网络带宽和系统资源的消耗会更大。在一些对实时性要求不高的数据分析场景中，主从复制架构通过合理配置可以满足性能需求；而在对读写性能都要求较高的社交平台应用中，主主复制架构可能更合适，但需要充分考虑性能开销。
数据一致性方面
- 共享存储
- 共享存储的最大优势在于数据一致性。所有节点访问的是同一存储设备上的数据，不存在数据同步延迟的问题，只要存储设备正常工作，各节点的数据始终保持一致。这对于一些对数据一致性要求极高的金融交易系统等应用场景非常关键，确保了交易数据的准确性和完整性。
- 磁盘复制
- 在同步复制模式下（如基于硬件磁盘阵列的同步复制或 MySQL 二进制日志的半同步复制），可以保证较高的数据一致性，但会对性能产生一定影响。异步复制模式下，备用服务器的数据会存在一定的延迟，可能导致短时间内的数据不一致。例如，在一个实时库存管理系统中，如果采用异步复制，当主服务器更新库存后，备用服务器可能需要几秒钟才能同步到最新数据，这在某些情况下可能会影响业务逻辑。
成本方面
- 共享存储
- 共享存储的硬件成本较高，需要购买专业的存储设备（如 SAN 或 NAS），并且可能需要额外的光纤通道等网络设备来连接存储设备和服务器。此外，存储设备的维护和管理也需要专业技术人员，增加了运维成本。对于一些预算有限的中小企业来说，可能难以承受。
- 磁盘复制
- 磁盘复制在硬件成本上相对较低，只需要普通的服务器和磁盘即可。基于 MySQL 自身的二进制日志复制几乎不需要额外的硬件投入。然而，在复杂的复制架构（如多源复制）中，可能需要更多的服务器来实现高可用性，这也会增加一定的硬件成本。但总体来说，相比共享存储，磁盘复制在成本方面更具优势，适合对成本敏感的企业。
选择建议
- 对数据一致性要求极高且预算充足的场景：如金融、医疗等行业的核心业务系统，共享存储可能是更好的选择。它可以确保数据的高度一致性，虽然成本较高，但能满足业务对数据准确性和可靠性的严格要求。
- 对成本敏感且对数据一致性要求相对较低的场景：如一些中小型网站、数据分析平台等，磁盘复制的主从或主主复制架构可以在较低成本下提供较高的可用性。通过合理配置复制参数和优化服务器性能，可以在一定程度上满足业务需求。
- 对性能和可用性都有较高要求的复杂场景：可以考虑结合共享存储和磁盘复制的优点。例如，在核心数据部分采用共享存储确保一致性，而在一些非关键数据或读负载较重的部分采用磁盘复制进行负载均衡和数据冗余，以达到性能、可用性和成本的平衡。
在实际应用中，还需要根据具体的业务需求、数据量、并发量等因素综合考虑，选择最适合的 MySQL 高可用性方案，无论是共享存储还是磁盘复制，都有其适用的场景和局限性，只有合理选择和配置，才能构建出稳定、高效的 MySQL 高可用系统。