MySQL云原生与分布式之：`MySQL`的`Percona XtraDB Cluster`：其在同步复制中的`Galera`协议。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL云原生与分布式：Percona XtraDB Cluster与Galera协议

大家好，今天我们来深入探讨MySQL云原生与分布式架构中的一个重要组成部分：Percona XtraDB Cluster (PXC) 及其核心同步复制协议 Galera。PXC 提供了一种高可用、高扩展性的 MySQL 解决方案，而 Galera 协议是实现这一目标的关键。

1. 高可用与可扩展性：PXC 简介

Percona XtraDB Cluster (PXC) 是一个基于 MySQL 的高可用性集群解决方案。它基于 Percona Server for MySQL，并使用 Galera 协议进行同步复制。PXC 的主要优点包括：

高可用性： 集群中的多个节点可以同时提供服务。当一个节点发生故障时，其他节点可以自动接管，保证服务的连续性。
数据一致性： Galera 协议保证了集群中所有节点的数据都是一致的，避免了异步复制可能导致的数据不一致问题。
可扩展性： 可以通过添加新的节点来扩展集群的容量。
易于部署和管理： Percona 提供了简化的部署和管理工具，降低了运维成本。

2. 同步复制的基石：Galera 协议详解

Galera 协议是一种用于数据库集群的同步复制协议。它通过以下机制保证了数据一致性和高可用性：

完全同步复制： 所有事务在提交之前都会被复制到集群中的所有节点。只有当所有节点都确认收到事务后，事务才会被提交。
基于认证的复制： 每个节点在提交事务之前，都会对事务进行认证，以确保事务不会导致冲突。
组通信： Galera 使用组通信协议（通常是 Galera Cluster Daemon，garbd）来管理集群中的节点，并保证所有节点都能够收到最新的数据。

2.1 Galera 协议的核心概念

Write-Set Replication (WSR)： Galera 协议的核心是 WSR。每个事务被分解成一个 write-set，其中包含了事务修改的所有数据行的信息。这个 write-set 会被发送到集群中的所有节点。
Total Order Broadcast (TOB)： Galera 使用 TOB 来保证所有节点按照相同的顺序接收 write-set。这对于保证数据一致性至关重要。
Certification Based Replication (CBR)： 在将 write-set 应用到本地数据库之前，每个节点都会对 write-set 进行认证。认证过程会检查 write-set 是否与本地数据库中的数据冲突。如果发生冲突，事务将被回滚。
State Snapshot Transfer (SST)： 当一个新节点加入集群时，需要从现有节点同步数据。这个过程称为 SST。PXC 支持多种 SST 方法，包括 mysqldump、xtrabackup 和 rsync。

2.2 Galera 协议的工作流程

事务提交： 客户端向集群中的一个节点提交事务。
Write-Set 创建： 节点将事务分解成一个 write-set。
TOB 广播： 节点使用 TOB 将 write-set 广播到集群中的所有节点。
认证： 每个节点对接收到的 write-set 进行认证。
应用： 如果认证通过，节点将 write-set 应用到本地数据库。
提交确认： 节点向发起事务的节点发送提交确认。
事务完成： 当发起事务的节点收到所有节点的提交确认后，事务完成。

2.3 Galera 协议的优势

强一致性： Galera 协议保证了集群中所有节点的数据都是强一致的，避免了异步复制可能导致的数据不一致问题。
无主架构： Galera 协议没有主节点，所有节点都可以同时提供读写服务。这提高了集群的可用性和可扩展性。
自动节点恢复： 当一个节点发生故障时，其他节点可以自动接管，保证服务的连续性。

2.4 Galera 协议的局限性

性能开销： 由于需要进行同步复制和认证，Galera 协议的性能开销比异步复制要高。
网络延迟敏感： Galera 协议对网络延迟比较敏感。高网络延迟可能会导致事务提交延迟增加。
复杂度： Galera 协议的配置和管理比异步复制要复杂。

3. PXC 配置与部署：实践指南

下面我们来介绍如何配置和部署 PXC 集群。这里我们使用 Percona 的官方工具 percona-xtradb-cluster-operator 在 Kubernetes 环境中进行部署。

3.1 前提条件

Kubernetes 集群 (例如 Minikube, Kind, 或云厂商提供的 Kubernetes 服务)
kubectl 命令行工具
Helm 包管理器

3.2 部署步骤

安装 Percona XtraDB Cluster Operator：

helm repo add percona https://charts.percona.com/
helm repo update
helm install pxc percona/pxc-operator --version <operator_version> -n <namespace>

将 <operator_version> 替换为具体的 Operator 版本号，<namespace> 替换为你希望部署 PXC 的 Kubernetes 命名空间。

创建 PXC 集群的 YAML 文件：

创建一个名为 pxc.yaml 的文件，内容如下：

apiVersion: pxc.percona.com/v1
kind: PerconaXtraDBCluster
metadata:
  name: pxc-cluster
spec:
  crVersion: 1.14.0 # 确保与 Operator 兼容
  secretsName: my-db-secrets
  size: 3
  image: percona/percona-xtradb-cluster:8.0.30-22.1
  pxc:
    autoRecovery: true
    size: 3
    resources:
      requests:
        memory: 4Gi
        cpu: "2"
      limits:
        memory: 8Gi
        cpu: "4"
    configuration: |
      [mysqld]
      wsrep_sync_wait=1
  pmm:
    enabled: true
    serverHost: monitoring-service.monitoring.svc.cluster.local # 替换为你的 PMM 服务器地址
  backup:
    enabled: false
  proxySQL:
    enabled: true
    size: 2
    resources:
      requests:
        memory: 1Gi
        cpu: "1"
      limits:
        memory: 2Gi
        cpu: "2"

解释：

apiVersion, kind, metadata: 定义 Kubernetes 资源类型和元数据.
spec.secretsName: 定义存储 MySQL 用户名和密码的 Kubernetes Secret 的名称。你需要提前创建这个 Secret。
spec.size: 定义 PXC 集群中 MySQL 节点的数量。
spec.image: 定义使用的 Percona XtraDB Cluster 镜像。
spec.pxc.resources: 定义 MySQL 节点的资源限制。
spec.pxc.configuration: 自定义 MySQL 配置。 wsrep_sync_wait=1 强制事务在提交前同步等待。
spec.pmm.enabled: 是否启用 Percona Monitoring and Management (PMM) 集成。
spec.proxySQL.enabled: 是否启用 ProxySQL。

创建 MySQL 密码 Secret：

kubectl create secret generic my-db-secrets 
  --from-literal=root="your_root_password" 
  --from-literal=operator="your_operator_password" 
  --from-literal=xtrabackup="your_xtrabackup_password" -n <namespace>

将 your_root_password, your_operator_password, your_xtrabackup_password 替换为你自己的密码。

创建 PXC 集群：

kubectl apply -f pxc.yaml -n <namespace>

监控 PXC 集群状态：

kubectl get pxc -n <namespace>
kubectl get pods -n <namespace>

等待所有 Pod 都处于 Running 状态。

3.3 连接到 PXC 集群

可以通过 ProxySQL 连接到 PXC 集群。ProxySQL 会自动将读写请求路由到合适的节点。

获取 ProxySQL 的 Service 名称：

kubectl get svc -n <namespace>

找到以 pxc-cluster-proxysql 开头的 Service 名称。

连接到 ProxySQL：

mysql -h <proxysql_service_name> -P 6033 -u root -p

将 <proxysql_service_name> 替换为 ProxySQL 的 Service 名称。使用 your_root_password 作为密码。

3.4 PXC 集群管理

扩展集群： 修改 pxc.yaml 文件中的 spec.size 字段，然后执行 kubectl apply -f pxc.yaml -n <namespace>。
升级集群： 参考 Percona 官方文档进行升级。通常涉及更新 Operator 和 PXC 镜像版本。
备份和恢复： 可以使用 Percona Backup for MySQL (PBM) 进行备份和恢复。

4. Galera 与 PXC 的优化策略

为了获得最佳的性能和稳定性，需要对 Galera 和 PXC 进行优化。

4.1 硬件优化

高速网络： Galera 协议对网络延迟非常敏感，因此需要使用高速网络连接所有节点。建议使用 10Gbps 或更高的网络。
快速存储： 数据库的读写性能直接影响 PXC 的性能。建议使用 SSD 或 NVMe 存储。
足够的内存： 数据库需要足够的内存来缓存数据和索引。建议为每个节点分配足够的内存。

4.2 MySQL 配置优化

在 pxc.yaml 的 spec.pxc.configuration 中可以配置 MySQL 参数。

innodb_buffer_pool_size： 设置 InnoDB 缓冲池的大小。建议设置为物理内存的 70%-80%。
innodb_log_file_size 和 innodb_log_files_in_group： 设置 InnoDB 日志文件的大小和数量。较大的日志文件可以提高写入性能，但也会增加恢复时间。
wsrep_provider_options： 配置 Galera 协议的选项。例如, pc.checksum = true 启用 checksum 验证，提高数据可靠性，但会增加 CPU 负载。
wsrep_trx_fragment_size： 将大型事务分割成更小的片段进行复制。这可以减少网络拥塞和认证冲突。

4.3 Galera 配置优化

gmcast.segment： 将集群分割成多个逻辑段。这可以减少广播流量，提高性能。
evs.inactive_check_period 和 evs.suspect_timeout： 调整节点故障检测的参数。更短的周期可以更快地检测到故障，但也会增加误判的可能性。
pc.weight： 为节点设置权重。权重较高的节点在选举过程中更有可能成为主节点。

4.4 应用层优化

减少事务大小： 避免执行大型事务。将大型事务分解成更小的事务可以减少认证冲突和提高性能。
使用批量操作： 尽可能使用批量操作来减少网络通信的次数。
优化 SQL 查询： 优化 SQL 查询可以减少数据库的负载，提高性能。
读写分离： 虽然 PXC 支持所有节点读写，但可以将读请求路由到只读节点，减轻主节点的压力。

代码示例：修改 pxc.yaml 配置 InnoDB 缓冲池大小

spec:
  pxc:
    configuration: |
      [mysqld]
      innodb_buffer_pool_size = 6G

5. 监控与故障排除

对 PXC 集群进行监控是保证其稳定运行的关键。

5.1 监控指标

节点状态： 监控每个节点的状态，确保所有节点都处于正常运行状态。
复制延迟： 监控复制延迟，确保数据同步及时。
认证冲突： 监控认证冲突的次数，如果冲突次数过多，需要进行优化。
资源利用率： 监控 CPU、内存、磁盘和网络利用率，确保资源充足。
查询性能： 监控查询性能，例如查询响应时间和吞吐量。

5.2 监控工具

Percona Monitoring and Management (PMM)： PMM 是 Percona 提供的开源监控工具，可以监控 MySQL 和 PXC 集群的各种指标。
Prometheus 和 Grafana： Prometheus 是一种流行的监控系统，Grafana 是一种数据可视化工具。可以将 PXC 的监控数据导出到 Prometheus，然后使用 Grafana 进行可视化。
MySQL Enterprise Monitor： MySQL Enterprise Monitor 是 Oracle 提供的商业监控工具，可以监控 MySQL 和 PXC 集群的各种指标。

5.3 故障排除

节点故障： 当一个节点发生故障时，PXC 会自动将该节点从集群中移除，并选举新的主节点。需要尽快修复故障节点，并将其重新加入集群。
网络问题： 网络问题可能会导致复制延迟增加或节点无法连接。需要检查网络连接，并解决网络问题。
认证冲突： 认证冲突可能是由于大型事务或数据冲突导致的。需要优化事务大小和数据访问模式，减少认证冲突。
资源不足： 资源不足可能会导致性能下降或节点崩溃。需要增加资源，例如 CPU、内存或磁盘空间。

代码示例：使用 mysqladmin 命令检查节点状态

mysqladmin -h <node_ip> -P 3306 -u root -p status

表格：常见 PXC 故障及其解决方法

故障类型	可能原因	解决方法
节点故障	硬件故障、操作系统崩溃、MySQL 崩溃	检查硬件、操作系统和 MySQL 日志，修复故障，并将节点重新加入集群。
网络问题	网络连接中断、网络延迟过高	检查网络连接，解决网络问题。
认证冲突	大型事务、数据冲突	优化事务大小和数据访问模式，减少认证冲突。
资源不足	CPU、内存、磁盘或网络资源不足	增加资源。
复制延迟过高	网络问题、节点负载过高、硬件性能瓶颈	检查网络连接，优化节点配置，升级硬件。
SST 失败	网络问题、权限问题、磁盘空间不足	检查网络连接，确保 SST 用户具有足够的权限，确保磁盘空间充足。

6. 总结：理解 Galera 与 PXC，构建高可用 MySQL 集群

Galera 协议是 Percona XtraDB Cluster 的核心，它通过同步复制和认证机制保证了数据一致性和高可用性。理解 Galera 协议的工作原理，并结合合理的配置和优化策略，可以构建高性能、高可用、高扩展性的 MySQL 集群。掌握 PXC 的部署、管理、监控和故障排除方法，能够更好地应对各种业务场景的需求。通过持续的监控和优化，可以确保 PXC 集群的稳定运行，为业务提供可靠的数据支持。