MySQL高可用与集群之：`MySQL`的`Galera Cluster`：其在同步复制中的`WSREP`协议。

MySQL 高可用与集群：Galera Cluster 与 WSREP 协议

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL 高可用和集群方案中的一种重要实现：Galera Cluster，以及其核心的同步复制协议 WSREP。

Galera Cluster 提供了一种近似同步的多主复制方案，这意味着集群中的所有节点都拥有相同的数据，并且事务可以在任何节点上执行。这与传统的主从复制架构有着本质的区别，后者只有一个可写的主节点，其他节点是只读的从节点。

Galera Cluster 的优势

Galera Cluster 相较于传统的主从复制，具备以下几个显著优势：

• 真正意义上的多主架构： 所有节点都可读写，应用程序可以选择连接到任何一个节点，提高了读取的负载均衡能力。
• 近乎同步的复制： 事务在提交之前会在集群中进行复制和认证，确保所有节点数据的一致性，避免了数据丢失和数据不一致的风险。
• 自动节点加入和离开： 新节点可以自动加入集群，现有节点可以优雅地离开集群，无需手动配置和干预。
• 故障自动切换： 如果某个节点发生故障，应用程序可以自动切换到其他可用节点，保证服务的连续性。

WSREP 协议：Galera Cluster 的核心

WSREP (Write Set Replication) 协议是 Galera Cluster 实现同步复制的核心。 它定义了集群节点之间数据复制和一致性保证的机制。理解 WSREP 协议对于理解 Galera Cluster 的工作原理至关重要。

WSREP 协议的关键特性包括：

• 基于 Write Set 的复制： WSREP 协议不是直接复制二进制日志，而是复制 Write Set。 Write Set 包含事务修改的数据的集合，例如插入、更新或删除的行。 这种方式减少了复制的数据量，提高了复制效率。
• 认证（Certification）： 在事务提交之前，WSREP 协议会对该事务的 Write Set 进行认证。 认证的目的是确保该事务的执行不会与集群中其他并发事务冲突，从而保证数据的一致性。
• 全局事务顺序 (Global Transaction Order)： WSREP 协议保证集群中的所有节点按照相同的顺序应用事务，确保数据的一致性。

WSREP 协议的工作流程

WSREP 协议的工作流程可以分为以下几个步骤：

1. 事务执行： 客户端连接到集群中的某个节点，并执行事务。
2. Write Set 生成： 该节点生成包含事务修改的数据的 Write Set。
3. Write Set 广播： 该节点将 Write Set 广播到集群中的所有其他节点。
4. Write Set 认证： 每个节点都根据本地数据和已知的其他事务的 Write Set 对收到的 Write Set 进行认证。 如果认证通过，则该 Write Set 被标记为可以应用。
5. 事务应用： 所有节点按照相同的顺序应用经过认证的 Write Set，将数据更改写入到本地数据库。
6. 事务提交： 事务在所有节点上成功应用后，该事务才被认为是提交的。

认证过程详解

认证是 WSREP 协议中至关重要的一步。 它确保了并发事务不会冲突，从而保证数据的一致性。认证的过程涉及比较事务的 Write Set，判断它们是否会修改相同的数据。

如果两个事务的 Write Set 没有重叠，则它们可以并发执行。 如果两个事务的 Write Set 有重叠，则需要根据一定的规则来判断是否可以执行。 常见的规则是：

• 先写胜出 (First Writer Wins)： 如果两个事务修改了相同的数据，则第一个执行的事务胜出，后面的事务会被回滚。
• 乐观锁 (Optimistic Locking)： 每个事务在执行之前都会检查它要修改的数据是否被其他事务修改过。 如果被修改过，则该事务会被回滚。

Galera Cluster 使用了一种名为 TOI (Total Order Isolation) 的认证机制。 TOI 机制保证了所有节点按照相同的顺序应用事务，从而避免了数据不一致的问题。

Galera Cluster 的部署

下面我们来看一下 Galera Cluster 的部署。 这里我们以三个节点的 Galera Cluster 为例。

1. 安装 Galera Cluster 软件包

首先，需要在所有节点上安装 Galera Cluster 软件包。具体的安装方式取决于你使用的操作系统和 MySQL 版本。 以 Debian/Ubuntu 为例：

sudo apt-get update
sudo apt-get install mariadb-server galera-4

2. 配置 MySQL

接下来，需要配置 MySQL。 在所有节点上编辑 MySQL 的配置文件 (例如 /etc/mysql/mariadb.conf.d/mysqld.cnf)，添加以下配置：

[mysqld]
binlog_format=ROW
default_storage_engine=InnoDB
innodb_autoinc_lock_mode=2
bind-address=0.0.0.0  # 允许所有 IP 连接，生产环境请修改为指定 IP

# Galera Cluster specific settings
wsrep_on=ON
wsrep_cluster_name="my_galera_cluster"
wsrep_cluster_address="gcomm://<node1_ip>,<node2_ip>,<node3_ip>"
wsrep_node_address="<current_node_ip>"
wsrep_node_name="<current_node_name>"
wsrep_sst_method=rsync

• wsrep_on=ON: 启用 Galera Cluster。
• wsrep_cluster_name: 集群的名称。 所有节点必须使用相同的集群名称。
• wsrep_cluster_address: 集群中所有节点的 IP 地址。
• wsrep_node_address: 当前节点的 IP 地址。
• wsrep_node_name: 当前节点的名称。
• wsrep_sst_method: 用于节点同步的方法。 rsync 是一种常用的方法。

注意：

• 将 <node1_ip>, <node2_ip>, <node3_ip>, <current_node_ip> 和 <current_node_name> 替换为实际的 IP 地址和节点名称。
• 确保所有节点上的 wsrep_cluster_name 相同。
• 在生产环境中，建议使用更安全的 wsrep_sst_method，例如 xtrabackup-v2。

3. 启动 Galera Cluster

在第一个节点上，使用以下命令启动 Galera Cluster：

sudo galera_new_cluster

该命令会创建一个新的 Galera Cluster。

在其他节点上，使用以下命令启动 MySQL：

sudo systemctl start mariadb

这些节点会自动加入到已有的 Galera Cluster 中。

4. 验证 Galera Cluster

可以使用以下命令验证 Galera Cluster 是否正常工作：

SHOW STATUS LIKE 'wsrep%';

该命令会显示 Galera Cluster 的状态信息。 检查以下几个关键参数：

• wsrep_cluster_size: 集群中的节点数量。 应该等于配置的节点数量。
• wsrep_cluster_status: 集群的状态。 应该是 Primary。
• wsrep_ready: 节点是否准备好接受连接。 应该是 ON。

示例配置：

参数	Node 1 (192.168.1.101)	Node 2 (192.168.1.102)	Node 3 (192.168.1.103)
wsrep_cluster_name	my_galera_cluster	my_galera_cluster	my_galera_cluster
wsrep_cluster_address	gcomm://192.168.1.101,192.168.1.102,192.168.1.103	gcomm://192.168.1.101,192.168.1.102,192.168.1.103	gcomm://192.168.1.101,192.168.1.102,192.168.1.103
wsrep_node_address	192.168.1.101	192.168.1.102	192.168.1.103
wsrep_node_name	node1	node2	node3

5. 数据库操作测试

连接到任意一个节点，创建一个数据库和一张表：

CREATE DATABASE testdb;
USE testdb;
CREATE TABLE test_table (id INT PRIMARY KEY, value VARCHAR(255));
INSERT INTO test_table (id, value) VALUES (1, 'Hello Galera');

然后，连接到另一个节点，查看数据是否同步：

USE testdb;
SELECT * FROM test_table;

如果可以看到刚刚插入的数据，则说明 Galera Cluster 已经正常工作。

监控 Galera Cluster

监控 Galera Cluster 的健康状况非常重要。 可以使用以下方法进行监控：

• 查看 MySQL 日志： MySQL 日志包含了 Galera Cluster 的状态信息和错误信息。
• 使用 SHOW STATUS LIKE 'wsrep%'; 命令： 该命令可以显示 Galera Cluster 的状态信息。
• 使用监控工具： 可以使用一些监控工具来监控 Galera Cluster，例如 Prometheus 和 Grafana。

一些重要的监控指标：

指标	描述
wsrep_cluster_size	集群中的节点数量。
wsrep_cluster_status	集群的状态。 Primary 表示集群正常工作。 Non-Primary 表示集群处于非活动状态。
wsrep_ready	节点是否准备好接受连接。 ON 表示节点已准备好。 OFF 表示节点未准备好。
wsrep_flow_control_paused_ns	节点由于流量控制而暂停的时间（纳秒）。 如果该值过高，则表示集群的性能可能存在问题。
wsrep_cert_deps_distance	认证过程中依赖关系的距离。 该值越高，表示事务之间的冲突越多，性能越差。
wsrep_apply_window	节点应用 Write Set 的窗口大小。 如果该值过小，则可能导致节点无法跟上集群的进度。

Galera Cluster 的限制

虽然 Galera Cluster 提供了许多优点，但也存在一些限制：

• 性能： 由于同步复制的特性，Galera Cluster 的写入性能可能会受到影响。
• 网络延迟： 网络延迟会影响 Galera Cluster 的性能。 因此，建议将 Galera Cluster 部署在低延迟的网络环境中。
• 复杂性： Galera Cluster 的配置和管理比传统的主从复制更复杂。
• 不支持所有存储引擎： Galera Cluster 只支持 InnoDB 存储引擎。

代码示例：事务冲突处理

以下是一个模拟事务冲突的 Python 代码示例：

import mysql.connector
import threading
import time

# 数据库连接信息
db_config = {
    'host': '192.168.1.101',  # 连接到 Galera Cluster 的任意节点
    'user': 'root',
    'password': 'your_password',
    'database': 'testdb'
}

def update_data(thread_name, id, new_value):
    try:
        conn = mysql.connector.connect(**db_config)
        cursor = conn.cursor()

        # 模拟事务冲突：同时更新同一行数据
        query = "UPDATE test_table SET value = %s WHERE id = %s"
        values = (new_value, id)

        # 开启事务
        conn.start_transaction()

        cursor.execute(query, values)
        conn.commit()  # 提交事务

        print(f"{thread_name}: Successfully updated id {id} to {new_value}")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"{thread_name}: Error: {err}")
        if conn:
            conn.rollback()  # 回滚事务
    finally:
        if conn:
            cursor.close()
            conn.close()

if __name__ == "__main__":
    # 创建两个线程，同时更新同一行数据
    thread1 = threading.Thread(target=update_data, args=("Thread-1", 1, "Value from Thread 1"))
    thread2 = threading.Thread(target=update_data, args=("Thread-2", 1, "Value from Thread 2"))

    thread1.start()
    thread2.start()

    thread1.join()
    thread2.join()

    print("Done.")

在这个例子中，两个线程尝试同时更新 test_table 中 id 为 1 的行的 value 列。 由于 Galera Cluster 的同步复制和认证机制，只有一个线程能够成功提交事务，另一个线程会被回滚，并抛出错误。 这体现了 Galera Cluster 在保证数据一致性方面的作用。

总结

Galera Cluster 提供了一种高可用、多主的 MySQL 集群方案，通过 WSREP 协议保证了数据的一致性。 理解 WSREP 协议对于理解 Galera Cluster 的工作原理至关重要。 在部署 Galera Cluster 时，需要仔细配置 MySQL，并进行监控，以确保集群的正常运行。 Galera Cluster 也存在一些限制，需要在实际应用中进行权衡。

深入理解 WSREP 协议的重要性

WSREP 协议是 Galera Cluster 实现数据同步和一致性的基石，其基于 Write Set 的复制和认证机制有效地避免了数据冲突，保证了集群内数据的一致性。