基于MySQL双主的高可用解决方案理论及实践

MySQL在互联网应用中已经遍地开花，但是在银行系统中，还在生根发芽的阶段。本文记录的是根据某生产系统实际需求，对数据库高可用方案从需求、各高可用技术特点对比、实施、测试等过程进行整理，完善Mysql高可用方案，同时为后续开展分布式数据库相关测试做相应准备。

存储复制技术： 传统IOE架构下，常用高可用方案，靠存储底层复制技术实现数据的一致性，优点数据安全性有保障，限制在于是依赖存储硬件，实施成本较高。

keepalived+双主复制： 两台MySQL互为主从关系，即双主模式，通过Keepalived配置虚拟IP，实现当其中的一台数据库故障时，自动切换VIP到另外一台MySQL数据库，备机快速接管业务来保证数据库的高可用。

MHA： MHA部署在每台mysql服务器上，定时探测集群中的master节点，当master出现故障时，它可以自动将最新的slave提升为新的master，然后将所有其他的slave重新指向新的master，优点在最大程度保证数据的一致性的前提下实现快速切换，最少需要3台服务器，存在数据丢失的可能性。

PXC： Percona eXtra Cluster是Percona基于galera cluster封装的集群方案。不同于普通多主复制，PXC保障强一致性和实时同步，故障切换更快。但是也需要3个节点，配置相对复杂，对性能也稍有影响。

除了上述方案外，还有MMM、Heartbeat+DRBD等高可用方案，此处不做详细介绍。

综合评估下，本次实施采用了 keepalived+mysql双主实现数据库同城双机房的高可用。MySQL版本为： 5.7.21。 *** 作系统：Red Hat Enterprise Linux Server 7.3。

配置过程如下：

Mysql-master1: IP地址1 --以下简称master1

Mysql-master2: IP地址2 --以下简称master2

Mysql-vip : VIP地址 --应用连接使用

Mysql复制相关概念描述：

1、 Mysql主从复制图示：

2、 Mysql主从复制过程描述：

（1）master记录二进制日志：在每个事务更新数据完成之前，master在二进制日志记录这些改变。MySQL将事务写入二进制日志。在事务写入二进制日志完成后，master通知存储引擎提交事务。

（2）slave将master的binarylog拷贝到自己的中继日志：首先，slave开始一个工作线程——I/O线程。I/O线程在master上打开一个普通的连接，然后开始binlog dump process。Binlog dump process从master的二进制日志中读取事务，如果已经同步了master，它会睡眠并等待master产生新的事件。I/O线程将这些事务写入中继日志。

（3）SQL slave thread处理该过程的最后一步：SQL线程从中继日志读取事务，并重放其中的事务而更新slave的数据，使其与master中的数据一致。只要该线程与I/O线程保持一致，中继日志通常会位于OS的缓存中，所以中继日志的开销很小。

主主同步就是两台机器互为主的关系，在任何一台机器上写入都会同步至备端。

为了便于后续数据库服务器的扩展，且在整个复制环境中能够自动地切换，降低运维成本，引入了当前主流的基于Mysql GTID的复制特性，工作原理及优缺点简介如下。

3、 GTID工作原理简介：

（1） master更新数据时，会在事务前产生GTID，一同记录到Binlog日志中。

（2） slave的I/O线程将变更的binlog写入到本地的relay log中。

（3） slave的sql线程从relay log中获取GTID，然后对比slave端的binlog是否有记录。

（4） 如果有记录说明该GTID的事务已经执行，slave会忽略。

（5） 如果没有记录，slave就会从relay log中执行该GTID的事务，并记录到binlog。

（6） 在解析的过程中会判断是否有主键，如果有就用索引，如果没有就用全部扫描。

4、 GTID优点：

（1） 一个事务对应一个唯一的ID，一个GTID在一个服务器上 只会执行一次。（2） GTID是用来替代传统复制的方法，GTID复制与普通复制模式的最大不同就是不需要指定二进制文件名和位置。

（3） 减少手工干预和降低服务故障时间，当主机宕机之后会通过软件从众多的备机中提升一台备机为新的master。

5、 GTID也存在一些限制：

（1） 不支持非事务引擎。

（2） 不支持create table … select 语句复制(主库直接报错)。

（3） 不允许一个sql同时更新一个事务引擎表和非事务引擎表。

（4） 在一个复制组中，必须要求统一开启GTID或者是统一关闭GTID。

（5） 开启GTID需要重启(5.7版本除外)。

（6） 开启GTID后，就不再使用原理的传统复制方式。

（7） 不支持create temporary table 和 drop temporary table语句。

（8） 不支持sql_slave_skip_counter。

前置条件：

主备两个节点使用行内统一的安装部署脚本安装mysql5.7.21介质(略)

Master1端创建应用的数据库(略)

1、 修改MySQL配置文件

参考相关配置规范，分别设置master1、master2的my.cnf文件，

其中server-id参数设置为不同值

由于后续keepalived会挂起VIP，应用通过VIP连接数据库，为了避免应用程序无法通过VIP访问，需将两个节点的bind-address参数注释掉；

2、 设置master1端自动半同步模式

Mysql的同步模式主要有如下3种：

a. 主从同步复制：数据完整性好，但是性能消耗略高；

b. 主从异步复制：性能消耗低，但容易出现不一致；

c. 主从半自动复制：介于上述两种之间，既保持了数据的完整性，又提高了性能；

基于上述特性，建议采用半自动同步模式，由于后续要配置为双主模式，因此任一节点其角色既为master又为slave，因此相关的master/slave插件要同时配置，过程如下。

（1） 首先查看库是否支持动态加载(默认都支持)

（2） 主从库上分别安装插件

作为主库，安装插件semisync_master.so

作为从库，安装插件semisync_slave.so

（3） 安装完成后，从plugin表中能够看到刚刚安装的插件

（4） 分别打开主从库半同步复制

同时添加到各自的my.cnf中，在后续数据库实例重启时自动加载该配置。

此时查看状态还没有启动

（5） 两个节点分别启动IO进程

（6） 查看半同步状态

3、 将master1设为master2的主服务器

（1）在master1主机上创建授权账户，允许在master2主机上连接

（2）将主库master1数据导出

（3）将master.sql传输到master2上并导入

（4）在master2端将master1设置为自己的主库，并开启slave功能

在master2上查看slave状态

至此master1到master2的主从复制关系已经建立完成。

4、 将master2设为master1的主服务器

在master1上执行

在master1上查看slave状态

1、keepalived相关概念说明：

keepalived是集群管理中保证集群高可用的一个软件解决方案，其功能类似于heartbeat，用来防止单点故障

keepalived是以VRRP协议为实现基础的，VRRP全称VirtualRouter Redundancy Protocol，即虚拟路由冗余协议。

虚拟路由冗余协议，可以认为是实现路由器高可用的协议，即将N台提供相同功能的路由器组成一个路由器组，这个组里面有一个master和多个backup，master上面有一个对外提供服务的vip，master会发组播（组播地址为224.0.0.18），当backup收不到vrrp包时就认为master宕掉了，这时就需要根据VRRP的优先级来选举一个backup当master，这样的话就可以保证路由器的高可用了。

keepalived主要有三个模块，分别是core 、check和vrrp。core模块为keepalived的核心，负责主进程的启动、维护以及全局配置文件的加载和解析。check负责 健康 检查，包括常见的各种检查方式。vrrp模块是来实现VRRP协议的。同时为了避免出现脑裂，应关闭防火墙或者开启防火墙但允许接收VRRP协议。

2、keepalived的安装配置

（1）配置本地yum源，在master1和master2两台服务器上安装keepalived的相关依赖包Kernel-devel/openssl-devel/popt-devl等

配置指向rhel-7.5.iso的yum本地源，步骤略

注意：如不知道keepalived需要哪些依赖包，可到下载后的源码解压目录下查看INSTALL 文件内容，安装需要的依赖包，源码安装任何一个软件都要养成查看源码包文档的习惯，比如INSTALL，README,doc等文档，可以获得很多有用的信息。

（2）在两台mysql上解压缩并编译安装keepalived

（3）master1、master2上分别配置keepalived.conf

注意上图红色字体中两个节点配置相同处及差异。

说明：keepalived只有一个配置文件keepalived.conf，里面主要包括以下几个配置区域：

· global_defs：主要是配置故障发生时的通知对象以及机器标识。

· vrrp_instance：用来定义对外提供服务的VIP区域及其相关属性。

· virtual_server：虚拟服务器定义

（4）同时两个节点上都需要添加检测脚本

作用：是当mysql停止工作时自动关闭本机的keeplived服务，从而实现将故障主机踢出热备组，因每台机器上keepalived只添加了本机为realserver，所以当mysqld正常启动后，我们还需要手动启动keepalived服务。

（5）分别启动两个节点的keepalived服务

检查两个节点keepalived启动进程

检查两个节点的vip挂载情况

（6）主备机故障切换测试

停止master2的mysql服务，看keepalived 健康 检查程序是否会触发脚本，自动进行故障切换，步骤略

查看master1节点的VIP挂载情况，验证是否实现了自动切换，步骤略

说明在master2服务器的mysql服务发生故障时，触发了脚本，自动完成了切换。

（7）现在我们把master2的mysql服务开起来，并且keepalived的服务也需要启动。

即便master2的mysql服务和keepalived服务都重新开启了，master1仍然是主master了，master2未对主master的权利进行抢夺，说明设置的nopreempt参数生效了，为了保证群集的稳定性，生产环境不允许抢占配置，只有当master1的mysql服务坏掉的时候，master2才会再次成为主master，否则它永远只能当master1的备份。（注：nopreempt一般是在优先级高的mysql上设置）

Sysbench是一个模块化的、跨平台、多线程基准测试工具，可用于评估数据库负载情况，通过sysbench命令配置IP地址、端口号、用户名、密码连接到指定的数据库db1中，创建多个表，并快速插入指定条数的记录，观察主备库同步效率

(1) 下载开源工具sysbench-0.4.12.14.tar.gz，放置在相应目录下并解压

(2) 使用iso配置本地yum源并安装Sysbench如下的依赖包(步骤略)：autoconf/automake/cdbs/debhelper(>=9)/docbook-xml/docbook-xsl/libmysqlclient15-dev/libtool/xsltproc

(3) 编译sysbench

编辑配置文件/etc/ld.so.conf中添加mysql lib目录/mysql/app/5.7.21/lib，并执行命令ldconfig生效

(4) 执行sysbench压测

使用sysbench工具向主节点的db1数据库中创建5张表，并且每张表分别插入10万条记录

同时观察备机同步效率

几个重要的参数说明：

B、半自动同步模式、异步模式切换测试

(1) 检查主备同步状态，及同步参数设置

rpl_semi_sync_master_enabled参数表示启用半同步模式；

rpl_semi_sync_master_timeout参数单位为毫秒，表示主库事务等待从库返回commit成功信息超过10秒就降为异步模式，不再等待从库，等探测到从库io线程恢复后，再返回为半自动同步；

rpl_semi_sync_master_wait_no_slave参数表示事务提交后需要等待从库返回确认信息；

(2) 将slave的io线程停止

(3) 使用sysbench向master写入少量的数据，本例创建一张表，并插入10条记录，命令包装在1.sh测试脚本中

通过记录的时间戳发现，master在等待了slave10秒无响应，自动切换为异步模式，将数据写入本地。

(4) Slave启动io线程，数据自动追平

至此MySQL主主复制配置完成，运行在半自动同步模式，通过keepalived实现Mysql的HA高可用。

上线后应符合统一的标准监控策略，添加备份协议对数据进行周期备份并保存到带库中，以及定期的数据恢复测试。

由于是靠keepalived实现的高可用，还应将如下资源添加到监控管理平台：

1、 对每台数据库主机的3个keepalived进程进行监控；

2、 对主备节点的io线程、sql线程工作状态进行监控；

1. 概述

我们在考虑MySQL数据库的高可用的架构时，主要要考虑如下几方面：

如果数据库发生了宕机或者意外中断等故障，能尽快恢复数据库的可用性，尽可能的减少停机时间，保证业务不会因为数据库的故障而中断。

用作备份、只读副本等功能的非主节点的数据应该和主节点的数据实时或者最终保持一致。

当业务发生数据库切换时，切换前后的数据库内容应当一致，不会因为数据缺失或者数据不一致而影响业务。

关于对高可用的分级在这里我们不做详细的讨论，这里只讨论常用高可用方案的优缺点以及高可用方案的选型。

2. 高可用方案

2.1. 主从或主主半同步复制

使用双节点数据库，搭建单向或者双向的半同步复制。在5.7以后的版本中，由于lossless replication、logical多线程复制等一些列新特性的引入，使得MySQL原生半同步复制更加可靠。

常见架构如下：

通常会和proxy、keepalived等第三方软件同时使用，即可以用来监控数据库的 健康 ，又可以执行一系列管理命令。如果主库发生故障，切换到备库后仍然可以继续使用数据库。

优点：

架构比较简单，使用原生半同步复制作为数据同步的依据；

双节点，没有主机宕机后的选主问题，直接切换即可；

双节点，需求资源少，部署简单；

缺点：

完全依赖于半同步复制，如果半同步复制退化为异步复制，数据一致性无法得到保证；

需要额外考虑haproxy、keepalived的高可用机制。

2.2. 半同步复制优化

半同步复制机制是可靠的。如果半同步复制一直是生效的，那么便可以认为数据是一致的。但是由于网络波动等一些客观原因，导致半同步复制发生超时而切换为异步复制，那么这时便不能保证数据的一致性。所以尽可能的保证半同步复制，便可提高数据的一致性。

该方案同样使用双节点架构，但是在原有半同复制的基础上做了功能上的优化，使半同步复制的机制变得更加可靠。

可参考的优化方案如下：

2.2.1. 双通道复制

半同步复制由于发生超时后，复制断开，当再次建立起复制时，同时建立两条通道，其中一条半同步复制通道从当前位置开始复制，保证从机知道当前主机执行的进度。另外一条异步复制通道开始追补从机落后的数据。当异步复制通道追赶到半同步复制的起始位置时，恢复半同步复制。

2.2.2. binlog文件服务器

搭建两条半同步复制通道，其中连接文件服务器的半同步通道正常情况下不启用，当主从的半同步复制发生网络问题退化后，启动与文件服务器的半同步复制通道。当主从半同步复制恢复后，关闭与文件服务器的半同步复制通道。

优点：

双节点，需求资源少，部署简单；

架构简单，没有选主的问题，直接切换即可

相比于原生复制，优化后的半同步复制更能保证数据的一致性。

缺点：

需要修改内核源码或者使用mysql通信协议。需要对源码有一定的了解，并能做一定程度的二次开发。

依旧依赖于半同步复制，没有从根本上解决数据一致性问题。

2.3. 高可用架构优化

将双节点数据库扩展到多节点数据库，或者多节点数据库集群。可以根据自己的需要选择一主两从、一主多从或者多主多从的集群。

由于半同步复制，存在接收到一个从机的成功应答即认为半同步复制成功的特性，所以多从半同步复制的可靠性要优于单从半同步复制的可靠性。并且多节点同时宕机的几率也要小于单节点宕机的几率，所以多节点架构在一定程度上可以认为高可用性是好于双节点架构。

但是由于数据库数量较多，所以需要数据库管理软件来保证数据库的可维护性。可以选择MMM、MHA或者各个版本的proxy等等。常见方案如下：

2.3.1. MHA+多节点集群

MHA Manager会定时探测集群中的master节点，当master出现故障时，它可以自动将最新数据的slave提升为新的master，然后将所有其他的slave重新指向新的master，整个故障转移过程对应用程序完全透明。

MHA Node运行在每台MySQL服务器上，主要作用是切换时处理二进制日志，确保切换尽量少丢数据。

MHA也可以扩展到如下的多节点集群：

优点：

可以进行故障的自动检测和转移

可扩展性较好，可以根据需要扩展MySQL的节点数量和结构

相比于双节点的MySQL复制，三节点/多节点的MySQL发生不可用的概率更低

缺点：

至少需要三节点，相对于双节点需要更多的资源

逻辑较为复杂，发生故障后排查问题，定位问题更加困难

数据一致性仍然靠原生半同步复制保证，仍然存在数据不一致的风险

可能因为网络分区发生脑裂现象

2.3.2. zookeeper+proxy

Zookeeper使用分布式算法保证集群数据的一致性，使用zookeeper可以有效的保证proxy的高可用性，可以较好的避免网络分区现象的产生。

优点：

较好的保证了整个系统的高可用性，包括proxy、MySQL

扩展性较好，可以扩展为大规模集群

缺点：

数据一致性仍然依赖于原生的mysql半同步复制

引入zk，整个系统的逻辑变得更加复杂

2.4. 共享存储

共享存储实现了数据库服务器和存储设备的解耦，不同数据库之间的数据同步不再依赖于MySQL的原生复制功能，而是通过磁盘数据同步的手段，来保证数据的一致性。

2.4.1. SAN共享储存

SAN的概念是允许存储设备和处理器（服务器）之间建立直接的高速网络（与LAN相比）连接，通过这种连接实现数据的集中式存储。常用架构如下：

使用共享存储时，MySQL服务器能够正常挂载文件系统并 *** 作，如果主库发生宕机，备库可以挂载相同的文件系统，保证主库和备库使用相同的数据。

优点：

两节点即可，部署简单，切换逻辑简单；

很好的保证数据的强一致性；

不会因为MySQL的逻辑错误发生数据不一致的情况；

缺点：

需要考虑共享存储的高可用；

价格昂贵；

2.4.2. DRBD磁盘复制

DRBD是一种基于软件、基于网络的块复制存储解决方案，主要用于对服务器之间的磁盘、分区、逻辑卷等进行数据镜像，当用户将数据写入本地磁盘时，还会将数据发送到网络中另一台主机的磁盘上，这样的本地主机(主节点)与远程主机(备节点)的数据就可以保证实时同步。常用架构如下：

当本地主机出现问题，远程主机上还保留着一份相同的数据，可以继续使用，保证了数据的安全。

DRBD是linux内核模块实现的快级别的同步复制技术，可以与SAN达到相同的共享存储效果。

优点：

两节点即可，部署简单，切换逻辑简单；

相比于SAN储存网络，价格低廉；

保证数据的强一致性；

缺点：

对io性能影响较大；

从库不提供读 *** 作；

2.5. 分布式协议

分布式协议可以很好解决数据一致性问题。比较常见的方案如下：

2.5.1. MySQL cluster

MySQL cluster是官方集群的部署方案，通过使用NDB存储引擎实时备份冗余数据，实现数据库的高可用性和数据一致性。

优点：

全部使用官方组件，不依赖于第三方软件；

可以实现数据的强一致性；

缺点：

国内使用的较少；

配置较复杂，需要使用NDB储存引擎，与MySQL常规引擎存在一定差异；

至少三节点；

2.5.2. Galera

基于Galera的MySQL高可用集群， 是多主数据同步的MySQL集群解决方案，使用简单，没有单点故障，可用性高。常见架构如下：

优点：

多主写入，无延迟复制，能保证数据强一致性；

有成熟的社区，有互联网公司在大规模的使用；

自动故障转移，自动添加、剔除节点；

缺点：

需要为原生MySQL节点打wsrep补丁

只支持innodb储存引擎

至少三节点；

2.5.3. POAXS

Paxos 算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值（决议）达成一致。这个算法被认为是同类算法中最有效的。Paxos与MySQL相结合可以实现在分布式的MySQL数据的强一致性。常见架构如下：

优点：

多主写入，无延迟复制，能保证数据强一致性；

有成熟理论基础；

自动故障转移，自动添加、剔除节点；

缺点：

只支持innodb储存引擎

至少三节点；

3. 总结

随着人们对数据一致性的要求不断的提高，越来越多的方法被尝试用来解决分布式数据一致性的问题，如MySQL自身的优化、MySQL集群架构的优化、Paxos、Raft、2PC算法的引入等等。

而使用分布式算法用来解决MySQL数据库数据一致性的问题的方法，也越来越被人们所接受，一系列成熟的产品如PhxSQL、MariaDB Galera Cluster、Percona XtraDB Cluster等越来越多的被大规模使用。

随着官方MySQL Group Replication的GA，使用分布式协议来解决数据一致性问题已经成为了主流的方向。期望越来越多优秀的解决方案被提出，MySQL高可用问题可以被更好的解决。

1、可以引多少个从服务器同步？理论上是没有限制，但从性能考虑最好不要带太多从服务器，不然同步的开销不小。一般来说，最简单就是主从1+1，一个读一个写，一个备份一个生产。升级版就是，1+2，一个写一个读一个备。进阶版就是，1+3，一个写两个读一个备。基本上够用的。看你的需要，不断扩展读或者写的数量。如果双主多主的话，要另外考虑。

2、数据大小。正常服务器能承受的数据量，都可以承受，同步是基本日志的形式分散的，就是日常执行select/update/insert/delete等。

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