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。

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 在云原生和分布式环境下的一个重要解决方案:Percona XtraDB Cluster (PXC),以及支撑其同步复制的核心协议——Galera。 PXC 通过 Galera 协议实现了真正的多主架构,为高可用、可扩展的 MySQL 集群提供了强有力的支持。

1. Percona XtraDB Cluster (PXC) 简介

PXC 是 Percona 公司基于 MySQL Server 和 Galera 协议开发的高可用、高性能的 MySQL 集群解决方案。与传统的 MySQL 主从复制相比,PXC 具有以下显著优势:

  • 同步复制: 所有节点都同步写入数据,保证数据一致性,避免数据丢失。
  • 多主架构: 任何节点都可以接受读写请求,提高系统吞吐量和可用性。
  • 自动节点加入和故障恢复: 新节点可以自动加入集群,故障节点可以自动隔离,简化运维管理。
  • 无单点故障: 集群中不存在单点故障,提高系统可靠性。

2. Galera 协议:同步复制的核心

Galera 协议是 PXC 实现同步复制的关键。它是一种认证过的、分布式的事务提交协议,保证集群中所有节点的数据一致性。 Galera 协议基于以下核心概念:

  • Group Communication Framework (GCF): 提供节点间的通信机制,负责消息的传递和节点状态的管理。
  • Write-Set Replication (WSR): 将事务的修改操作(Write-Set)复制到集群中的所有节点。
  • Total Order Broadcast (TOB): 保证所有节点按照相同的顺序接收事务,避免冲突。
  • Certification Based Replication (CBR): 在提交事务之前,对 Write-Set 进行冲突检测,确保事务不会导致数据不一致。

3. Galera 协议的工作流程

Galera 协议的工作流程可以概括为以下几个步骤:

  1. 客户端发起事务: 客户端连接到集群中的任意节点,发起一个事务。
  2. 节点执行事务: 接收到事务请求的节点执行事务,生成 Write-Set,包含被修改的数据行、索引等信息。
  3. 广播 Write-Set: 节点将 Write-Set 广播到集群中的所有其他节点。
  4. 冲突检测: 每个节点接收到 Write-Set 后,都会进行冲突检测,判断该事务是否与其他事务存在冲突。
  5. 事务提交或回滚: 如果所有节点都通过了冲突检测,则事务可以提交;否则,事务回滚。
  6. 应用 Write-Set: 提交事务的节点将 Write-Set 应用到本地数据库,完成数据同步。

4. Galera 协议的关键机制

为了实现同步复制和数据一致性,Galera 协议采用了以下关键机制:

  • Quorum(法定人数): 集群中至少需要一半以上的节点正常工作才能进行写操作,保证数据一致性。
  • Certification Based Replication (CBR): CBR 是 Galera 协议的核心,用于检测事务冲突。每个节点维护一个全局的事务提交顺序,并使用该顺序来判断事务是否会发生冲突。
  • State Snapshot Transfer (SST): 当新节点加入集群时,需要从现有节点复制数据。Galera 协议提供了 SST 机制,用于快速同步数据。

5. PXC 的部署与配置

下面我们来演示如何部署和配置 PXC 集群。这里我们使用三个节点,分别命名为 node1、node2 和 node3。

5.1 前提条件

  • 已安装 MySQL Server 5.7 或 8.0。
  • 已安装 Percona XtraBackup 工具。
  • 已安装 Galera 库。
  • 所有节点之间可以互相访问。

5.2 安装 PXC

在所有节点上执行以下步骤:

  1. 下载 Percona APT 仓库配置文件:

    wget https://repo.percona.com/apt/percona-release_latest.$(lsb_release -sc)_all.deb
    sudo dpkg -i percona-release_latest.$(lsb_release -sc)_all.deb
    sudo apt update
  2. 安装 PXC:

    sudo apt install percona-xtradb-cluster-57  # 或 percona-xtradb-cluster-80

5.3 配置 PXC

在所有节点上编辑 MySQL 配置文件 /etc/mysql/mysql.conf.d/mysqld.cnf,添加以下配置:

[mysqld]
binlog_format=ROW
default_storage_engine=InnoDB
innodb_autoinc_lock_mode=2
innodb_locks_unsafe_for_binlog=1
query_cache_size=0
query_cache_type=0
bind-address=0.0.0.0

wsrep_on=ON
wsrep_cluster_name=my_pxc_cluster
wsrep_cluster_address="gcomm://node1,node2,node3" # 集群所有节点 IP 或主机名
wsrep_node_name=node1  # 每个节点的名字,需要修改
wsrep_node_address=node1  # 每个节点的 IP 或主机名,需要修改
wsrep_sst_method=xtrabackup-v2
wsrep_sst_auth="sst_user:sst_password" # 用于 SST 的用户名和密码

# 为了方便演示,关闭了 strict 模式,生产环境不建议关闭
sql_mode=NO_ENGINE_SUBSTITUTION,STRICT_TRANS_TABLES

注意:

  • wsrep_cluster_name:集群名称,所有节点必须相同。
  • wsrep_cluster_address:集群所有节点的 IP 或主机名,用逗号分隔。
  • wsrep_node_name:每个节点的名字,必须唯一。
  • wsrep_node_address:每个节点的 IP 或主机名,必须与 wsrep_cluster_address 中对应。
  • wsrep_sst_method:SST 方法,推荐使用 xtrabackup-v2
  • wsrep_sst_auth:用于 SST 的用户名和密码,需要在 MySQL 中创建。

5.4 创建 SST 用户

在 MySQL 中创建 SST 用户:

CREATE USER 'sst_user'@'%' IDENTIFIED BY 'sst_password';
GRANT RELOAD, PROCESS, REPLICATION CLIENT, LOCK TABLES ON *.* TO 'sst_user'@'%';
FLUSH PRIVILEGES;

5.5 启动集群

  1. 在第一个节点(例如 node1)上启动集群:

    sudo /etc/init.d/mysql start --wsrep-new-cluster
  2. 在其他节点上启动 MySQL 服务:

    sudo /etc/init.d/mysql start

5.6 验证集群状态

连接到任意节点,执行以下 SQL 查询:

SHOW STATUS LIKE 'wsrep%';

如果 wsrep_cluster_status 的值为 Primarywsrep_cluster_size 的值为 3,则表示集群已经成功启动。

6. PXC 的管理与维护

PXC 的管理与维护主要包括以下几个方面:

  • 节点管理: 添加、删除节点。
  • 故障恢复: 自动故障恢复、手动故障恢复。
  • 备份与恢复: 定期备份数据,以便在发生故障时进行恢复。
  • 监控与告警: 监控集群状态,及时发现并处理问题。

6.1 添加节点

添加节点只需要修改新节点的配置文件,将 wsrep_cluster_address 设置为集群所有节点的 IP 或主机名,然后启动 MySQL 服务即可。

6.2 删除节点

删除节点只需要停止该节点的 MySQL 服务即可。集群会自动检测到节点离线,并将其从集群中移除。

6.3 故障恢复

PXC 具有自动故障恢复能力。当节点发生故障时,集群会自动将其隔离,并保持正常运行。当故障节点恢复后,可以自动重新加入集群。

6.4 手动故障恢复

在某些情况下,可能需要手动进行故障恢复。例如,当集群中超过一半的节点发生故障时,集群将无法进行写操作。此时,需要手动选择一个节点作为新的主节点,然后重启集群。

6.5 备份与恢复

PXC 支持使用 Percona XtraBackup 进行备份和恢复。可以使用以下命令进行备份:

xtrabackup --backup --target-dir=/path/to/backup --user=backup_user --password=backup_password

可以使用以下命令进行恢复:

xtrabackup --prepare --target-dir=/path/to/backup
xtrabackup --copy-back --target-dir=/path/to/backup

6.6 监控与告警

可以使用各种监控工具来监控 PXC 集群的状态,例如 Percona Monitoring and Management (PMM)。可以监控以下指标:

  • wsrep_cluster_status:集群状态。
  • wsrep_cluster_size:集群节点数量。
  • wsrep_local_state_comment:节点状态。
  • wsrep_flow_control_paused_ns:流量控制暂停时间。
  • wsrep_cert_deps_distance:认证依赖距离。

7. PXC 的局限性

虽然 PXC 具有很多优点,但也存在一些局限性:

  • 性能开销: 同步复制会带来一定的性能开销。
  • 网络延迟敏感: 对网络延迟比较敏感,网络延迟过高会导致性能下降。
  • 复杂性: 配置和管理比传统 MySQL 主从复制更复杂。
  • 写冲突: 虽然 CBR 机制可以检测事务冲突,但在高并发写入的情况下,仍然可能发生写冲突,导致事务回滚。

8. 代码示例

下面我们提供一些代码示例,演示如何在 PXC 集群中进行数据操作。

8.1 连接到 PXC 集群

import pymysql

try:
    connection = pymysql.connect(host='node1',  # 连接到任意节点
                                 user='your_user',
                                 password='your_password',
                                 db='your_database',
                                 charset='utf8mb4',
                                 cursorclass=pymysql.cursors.DictCursor)

    with connection.cursor() as cursor:
        # 执行 SQL 查询
        sql = "SELECT * FROM your_table"
        cursor.execute(sql)
        result = cursor.fetchall()
        print(result)

finally:
    if connection:
        connection.close()

8.2 插入数据

import pymysql

try:
    connection = pymysql.connect(host='node2',  # 连接到任意节点
                                 user='your_user',
                                 password='your_password',
                                 db='your_database',
                                 charset='utf8mb4',
                                 cursorclass=pymysql.cursors.DictCursor)

    with connection.cursor() as cursor:
        # 插入数据
        sql = "INSERT INTO your_table (name, age) VALUES (%s, %s)"
        cursor.execute(sql, ('Alice', 30))
        connection.commit()  # 提交事务
        print("Data inserted successfully.")

except Exception as e:
    print(f"Error: {e}")
    if connection:
        connection.rollback() # 回滚事务

finally:
    if connection:
        connection.close()

8.3 更新数据

import pymysql

try:
    connection = pymysql.connect(host='node3',  # 连接到任意节点
                                 user='your_user',
                                 password='your_password',
                                 db='your_database',
                                 charset='utf8mb4',
                                 cursorclass=pymysql.cursors.DictCursor)

    with connection.cursor() as cursor:
        # 更新数据
        sql = "UPDATE your_table SET age = %s WHERE name = %s"
        cursor.execute(sql, (35, 'Alice'))
        connection.commit()  # 提交事务
        print("Data updated successfully.")

except Exception as e:
    print(f"Error: {e}")
    if connection:
        connection.rollback() # 回滚事务

finally:
    if connection:
        connection.close()

9. PXC 的应用场景

PXC 适用于以下场景:

  • 高可用性: 需要保证数据库持续可用,避免单点故障。
  • 可扩展性: 需要水平扩展数据库,提高系统吞吐量。
  • 数据一致性: 需要保证数据一致性,避免数据丢失。
  • 云原生环境: 适用于在云原生环境中部署和管理 MySQL 集群。

10. PXC 与云原生

PXC 可以很好地与云原生技术相结合,例如 Kubernetes、Docker 等。可以使用 Kubernetes 来管理 PXC 集群,实现自动化部署、扩展和故障恢复。可以使用 Docker 容器来封装 PXC 节点,提高部署效率和可移植性。

11. PXC 在云原生环境下的优势

在云原生环境下,PXC 具有以下优势:

  • 弹性伸缩: 可以根据业务负载动态调整集群规模。
  • 自动化运维: 可以使用 Kubernetes 等工具实现自动化运维。
  • 高可用性: 可以利用云平台提供的基础设施,实现高可用性。
  • 简化部署: 可以使用 Docker 容器简化部署过程。

12. 表格:PXC 与传统主从复制的比较

特性 Percona XtraDB Cluster (PXC) 传统 MySQL 主从复制
复制方式 同步复制 异步/半同步复制
架构 多主架构 主从架构
可用性 较低
数据一致性
性能 写入性能略低 读取性能高
复杂性 较高 较低
适用场景 高可用、数据一致性要求高的场景 读多写少场景

13. 选择 PXC 的注意事项

在选择 PXC 时,需要考虑以下因素:

  • 业务需求: 是否需要高可用、数据一致性。
  • 硬件资源: PXC 需要更多的硬件资源。
  • 网络环境: PXC 对网络延迟比较敏感。
  • 运维能力: PXC 的配置和管理比传统 MySQL 主从复制更复杂。

PXC 是同步复制的优选方案

PXC 通过 Galera 协议实现了真正的多主架构和同步复制,为 MySQL 在云原生和分布式环境下的应用提供了强大的支持。 虽然存在一些局限性,但在高可用、数据一致性要求高的场景下,PXC 仍然是优选方案。

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