一文了解数据库高可用容灾方案的设计与实现

一个系统可能包含很多模块，如数据库、前端、缓存、搜索、消息队列等，每个模块都需要做到高可用，才能保证整个系统的高可用。对于数据库服务而言，高可用的实现可能更加复杂，对用户的服务可用，不仅仅是能访问，还需要有正确性保证，因此讨论数据库的高可用方案时，在容灾之外，还要同时考虑方案中数据一致性问题。

本文将通过介绍一些业界主流的数据库高可用架构、每种方案的特性和优缺点，以及数据库高可用架构的自动化运维实现，讲讲数据库高可用容灾方案设计与实现，希望抛砖引玉，和大家一起讨论。

一、高可用数据库概述

什么是高可用数据库?

高可用数据库是由一系列数据库构成的总体系统，在任何时刻，至少有一个节点可以接受用户的请求并提供数据库服务。大多数数据库架构中，有一个主节点处理主要请求，还有若干备用节点用于容灾切换，当主节点不能提供服务时，备用节点成为主节点继续提供服务，用以保证整个系统的可用和稳定。

高可用数据库有很多优点：

• 第一，方便读写分离。数据库请求当中，一般读操作的请求次数远大于写操作，高可用数据库可以通过将写操作放在主数据库节点上进行，将读操作分担到若干从库上，来提升读操作吞吐量，进而提升读写效率;
• 第二，变更不停服。当整个高可用数据库架构或者主节点升级时，可以让高可用数据库先进行主库切换，让备用节点替换原主节点提供数据库服务，当主节点升级完毕后，再将主从库服务切换回来，这样能有效避免系统升级或变更时对用户服务质量产生影响;
• 第三，备份不影响服务性能。高可用数据库架构包含多个从库，在不影响主节点服务性能的情况下，能非常方便地实现数据的容灾备份。

一般，高可用数据库地架构设计时，也需要考虑三个问题：

• 第一，如何同步各数据库之间的节点数据?同步需要保证切换后的数据库是最新数据，以及在切换过程中数据不会丢失，同时还要考虑同步过程对主库和备库的影响。
• 第二，高可用数据库的容灾切换如何进行?架构不同容灾切换的复杂度也不一样，且切换以后需要保证主、从库数据的一致性，这可能需要开发者在设计之初就尽量优化和简化容灾切换逻辑。
• 第三，如何提高高可用的运维效率?

二、业界典型高可用数据库架构

按照数据同步方式，我们可以将业界主流的高可用架构划分成四种：第一种，共享存储方案;第二种，操作系统实时数据块复制;第三种，数据库级别的主从复制;第四种，高可用数据库集群。每一种数据同步方式可以衍生出不同的架构。

方案一：共享存储

共享存储指若干DB服务使用同一份存储，一个为主DB，其他的为备用DB，若主服务崩溃，则系统启动备用DB，成为新的主DB，继续提供服务。一般共享存储采用比较多的是SAN/NAS方案。

这种方案的优点是没有数据同步的问题，但也有一些限制，如对于共享存储的实时性和网络性能有较高要求。因为共享存储一般是通过网络来访问存储当中的数据，在网络性能较差的情况下，数据库的性能也无法达到令人满意的效果。不过，随着硬件性能的不断提升，将计算存储分离、和DB深度结合的共享存储亦是高可用数据库未来发展的趋势之一。

方案二：操作系统实时数据块复制

这个方案的典型场景是DRBD，可以把它理解为远程的RAID1，如下图所示，左侧数据库写入数据以后立即同步到右侧的存储设备当中。如果左边数据库崩溃，系统可以直接激活右边的数据库存储设备，启动新的数据库服务，实现容灾切换。

这个方案同样有一些问题，如系统只能有一个数据副本提供服务，无法实现读写分离;另外，如果系统崩溃，主库进程中断，容灾切换后需要在挂掉的数据库上做数据库崩溃恢复，系统需要的容灾恢复时间较长。

方案三：数据库主从复制

这种方案我认为是最经典的数据同步模式，系统采用一个主库和多个从库方式，其实现原理主要是基于日志的主从复制，主库操作以日志的形式发送给各个从库，从库接收到日志后进行数据备份。这种方式的好处是一个主库可以连接多个从库，能很方便地实现读写分离，同时，因为每个备库都在运行中，所以备库里面的数据基本上都是热数据，容灾切换也非常快。

不过，这个方案也并非完美无缺，如容灾切换时，从库一定要同步完最新数据以后才能升级为主库，否则极有可能发生数据丢失的情况。针对传统主从架构的一些问题，业界也逐渐研发出对应的改进技术。

改进技术一：双主架构

问题：经典主从架构里面，原主库崩溃恢复的过程中，新的数据无法及时同步到该数据库当中，原主库恢复后，需要重新设置为从库，并将容灾过程中的数据重新同步进行。

改进措施：为了保证容灾后的数据一致性，业界对这种架构做了一些改进，其中一种改进措施就叫双主架构，如下图所示，双主架构一般会选择两个DB做一对主库，这两个DB之间互相为对方的从库，无论往哪个DB写入数据，另一个都会自动同步。容灾时系统只需要把流量从左边切换到右边，容灾后数据同步依旧自动进行，这样，就保证了容灾后原主库的数据一致性。

改进技术二：日志自动寻址

问题：容灾备份时，当某一从库提升为主库后，其他备库需要自动定位新主库的日志同步点，同步新主库的日志。早期数据库日志中，MySQL是通过文件名加上文件的偏移量进行寻址，因此，主库的自动定位并不好实现。

（编辑：核心网）

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