MySQL InnoDB Cluster 详解

MySQL解决方案工程师 2019-12-22

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这篇文章将详细地介绍MySQL的高可用解决方案—— MySQL InnoDB Cluster。

说到高可用性，首先要了解一下什么是高可用性？

高可用性要求的实际上是对可靠性的要求，从本质上来说，是通过技术和工具来提高可靠性，尽可能长时间保持数据的可用和系统的正常运行时间。实现高可用性的原则为排除单点故障、通过冗余实现快速恢复，并且具有容错机制。

上面一页主要介绍了几个关键词汇，以及相关的定义，这些有助于理解可靠性和高可用性。

MySQL的高可用性解决方案目前大致分为5种，按照高可用的级别（99.9999%为最高级）排序依次为，主从复制、具有自动故障转移功能的主从复制、利用共享存储、OS或虚拟化软件实现主备架构、MySQL Group Replication 群组复制，以及MySQL NDB Cluster。

MySQL Replication：允许数据从一台实例上复制到一台或多台其它的实例上。
MySQL Group Replication：群组复制提供更好的冗余性、自动恢复以及写入扩展。
MySQL InnoDB Cluster：基于群组复制，提供了易于管理的API、应用故障转移和路由、易于配置，提供比群组复制更高级别的可用性。
MySQL NDB Cluster：容易与MySQL InnoDB Cluster混淆，是另外一款产品，提供更高级别的可用性和冗余性。适用于分布式计算环境，使用内存型的NDB存储引擎。关于这款产品的详细内容将不会在这里介绍。

在这里简明介绍一下以复制为基础的三种方案的基本原理。

经典的主从复制是MySQL原生的复制功能，采用异步方式，如图片最上面显示的原理，主服务器执行更改数据的事务后，会产生binlog，之后binlog会被发送到从服务器变成relay log，与此同时，主服务器会对应用提交返回。从服务器接收到relay log后，会通过一个applier的线程对日志里面的内容进行施放，使产生的数据更改写入从服务器，之后产生自己的binlog，进行提交。
采用异步的方式，在发生网络问题和服务器损坏的情况下（从服务器未接收到日志，主服务器已经提交，并且提交后主服务器彻底损坏）会丢失数据，为了防止数据丢失，半同步复制在异步的基础上增加了一个日志确认的环节，在从服务器接收到日志后，返回给主服务器一个应答，之后主服务器才能对应用提交返回。
作为MySQL目前最新的复制方式，群组复制MGR可以通过群组内任意服务器对数据进行更新，而不是像前面两种有主从之分。为此群组复制增加了一个验证步骤，通过验证的事务才能进行提交，提交后群组内其它成员同样对日志进行施放，提交。

MySQL InnoDB Cluster是一个高可用的框架，它由下面这几个组件构成：

MySQL Group Replication：提供DB的扩展、自动故障转移
MySQL Router：轻量级中间件，提供应用程序连接目标的故障转移
MySQL Shell：新的MySQL客户端，多种接口模式。可以设置群组复制及Router
X DevAPI：一个API通过XProtocol与服务器通信
Admin API：一个特殊的API通过MySQL Shell使用，可以用于对Innodb Cluster进行配置管理

上图显示了InnoDB Cluster的整体架构，MySQL Router推荐部署在应用端，通过MySQL Shell 对其进行管理配置，使用MySQL Enterprise Monitor对整体进行监控。

InnoDB Cluster目前已经实现了发展路线图的第一步——高可用性，将来的发展方向为自动读取扩展和自动写入扩展。最终实现如下图的最终目标：

接下来的内容，将详细介绍一下MySQL Group Replication。

MGR实现了 Replicated Database State Machine理论，通信服务基于Paxos实现，为MySQL5.7之后的版本提供同步复制（日志复制同步，数据施放异步），并且支持所有的MySQL平台，包括Linux, Windows,Solaris, OSX, FreeBSD。

MGR提供了高可用分布式MySQL数据库服务，它可以实现服务器自动故障转移，分布式容错能力，支持多主更新的架构，自动重配置（加入/移除节点，崩溃等等）并且可以自动侦测和处理冲突。

MGR适用的场景包括：

弹性复制-复制架构下，服务器的数量动态增加或缩减时，使影响降到最低。
分片的高可用-用户可以利用MGR实现单一分片的高可用，每个分片都具有一个复制组。
主从复制的替代选择-可以使用单主模式避免发生冲突检测，以替代传统的主从复制。

上图是MGR的架构，里面包括：

MySQL Group Replication插件

GR插件负责执行分布式内容，侦测和处理冲突，恢复分布式集群，推送事务给其它的组成员，接收其它成员的事务以及决定事务最终的结果。

GCS群组通信系统

GCS API将通信系统的实现进行抽象化，并管理这个接口。通信引擎是基于Paxos开发的，是实现跨服务器的组件。

MGR在使用时具有两种模式，包括：

单主模式

该模式下，单个MySQL实例作为数据写入的主节点，其它的节点用于热备。这个模式与传统的主从模式相似，便于现有系统进行切换。

多主模式

除了上面的单主模式，群组复制还具有多主模式，与单主模式的主要区别在于，群组内所有的成员都可以进行数据写入、读取操作。

使用多主模式时，由于数据的写入可以在所有的成员节点上进行，当在不同成员上对同一条记录同时进行更新时，就会产生冲突，此时群组复制会根据成员提交的先后次序（严格来讲是在群组复制的一致性校验阶段，取得校验成功的先后次序）进行判断，后提交事务的执行回滚处理。

冲突检测需要使用主键。

由于多主模式需要确保数据写入的一致性，所以在使用上有如下限制：

当配置好MGR以后，需要对其进行监视和管理，通过perforamnce_shcema里面的表和全局变量可以确认MGR的成员状态，当前主成员等必要信息。

群组复制的特性之一是提供高可用性，具有更好的容错度。每个群组最多具有9个成员（推荐使用不超过7个，最低使用3个。）

故障：（Ｆ）所需的服务器数量：（N）　

N= 2F + 1

9成员的情况下，最多允许4个成员出现故障。

使用MGR不会出现脑裂问题，MGR会检测网络分区。

发生网络分区时，如果部分成员检测到大多数成员丢失，连接到这部分成员的数据更新处理将被挡住并等待，Select可以执行。如下图所示，S1 S2与其余三个成员失去联系，对于S1 S2来说他们已经丢失了群组中的大部分成员，因此不能够在它们上面执行数据更新处理（S3 S4 S5上面可以进行数据更新，当网络故障恢复后，S1 S2可以从S3 S4 S5上获取故障期间未更新的数据）

MGR事实上也是一个分布式集群，让我们看一下MGR是如何确保集群范围内的数据一致性。

MGR是通过日志的传播和施放来进行群组内所有成员的数据同步，因此，在某一时间点各个成员上数据是会出现不一致的情况（最终会一致）。在MySQL8.0.14之后，可以通过使用变量 group_replication_consistency 精确地控制每个节点上数据的一致性。

默认的值为 EVENTUAL（最终一致），如上图所示，事务T1开始在M1上执行，之后会将日志传播到M2 M3，并对日志内容进行施放。在日志内容施放到M3之前，T2开始在M3上执行，因此，T2没有在最新的数据快照基础上执行，如果T2与T1执行的数据没有关联，则可以采取该模式。

当变量值设置为BEFORE时，上图中 T2使用该值，T2在M3上提交时，需要等待T1在全部成员上执行完毕才可以执行（T2要等待之前的事务BEFORE在全部成员上执行完毕）

当变量值设置为AFTER时，上图中 T1使用该值，T2在M3上提交时，需要等待T1在全部成员上执行完毕才可以执行（T1事务在全部成员上执行完毕后,后面的事务（AFTER）才可以执行）

如果事务执行需要确保执行前后都使用最新的数据快照，则可以设置为BEFORE_AND_AFTER。

MySQL Shell

接下来介绍一下MySQL Shell。Shell 是MySQL团队打造的一个统一的客户端，它可以对MySQL执行数据操作和管理。它支持通过JavaScript，Python，SQL对关系型数据模式和文档型数据模式进行操作。使用它可以轻松配置管理 InnoDB Cluster。

MySQL Shell里集成了一个特殊的管理API，可以通过它执行DBA常见的操作，后面会有一个详细的使用例子介绍给大家。

MySQL Router

MySQL Router是一个轻量级的中间件，可以提供负载均衡和应用连接的故障转移。它是MySQL团队为MGR量身打造的，通过使用Router 和 Shell，用户可以利用MGR实现完整的数据库层的解决方案。如果您在使用MGR，请一定配合使用Router和Shell，您可以理解为它们是为MGR而生的，会配合MySQL的开发路线图发展的工具。

InnoDB Cluster管理

让我们看一下如何对InnoDB Cluster进行管理，我将会通过使用MySQL Shell为您展示相关内容。