沃趣科技  熊中哲

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随着交流机会的增多 (集中在金融行业 , 规模都在各自领域数一数二 ), 发现大家对 Docker + Kubernetes 的接受程度超乎想象 , 并极有兴趣将这套架构应用到 RDS 领域 . 数据库服务的需求可以简化为 :

实现数据零丢失的前提下,提供可接受的服务能力

因此存储架构的选型至关重要. 到底是选择计算存储分离还是本地存储?

本文就这个问题, 从以下几点展开 :

●     回顾 : 计算存储分离, 本地存储优缺点

●     MySQL 基于本地存储实现数据零丢失

●     性能对比

●     基于 Docker + Kubernetes 的实现

分享个人理解.

回顾 : 计算存储分离, 本地存储优缺点

还是从计算存储分离说起,

计算存储分离

先说优点 :

●     架构清晰

●     计算资源 / 存储资源独立扩展

●     提升实例密度, 优化硬件利用率

●     简化实例切换流程 : 将有状态的数据下沉到存储层, Scheduler 调度时, 无需感知计算节点的存储介质, 只需调度到满足计算资源要求的 Node, 数据库实例启动时, 只需在分布式文件系统挂载 mapping volume 即可. 可以显著的提高数据库实例的部署密度和计算资源利用率.

以 MySQL 为例

●     通用性更好, 同时适用于 Oracle , MySQL

       详见 : <容器化RDS : 计算存储分离架构下的"Split-Brain">

从部分用户的上下文来看, 存在如下客观缺点 :

●     引入分布式存储, 架构复杂度加大. 一旦涉及到分布式存储的问题, DBA 无法闭环解决.

●     分布式存储选型,

○     选择商用, 有 Storage Verdor Lock In 风险

○     选择开源, 大多数用户(包括沃趣)都测试过 GlusterFS 和 Ceph ,针对数据库(Sensitive Lantency)场景, 性能完全无法接受.

本地存储

如果在意计算存储分离架构中提到的缺点, 本地存储可以有效的打消类似顾虑,

无需引入分布式存储, 避免Storage Verdor Lock In 风险, 所有问题都由DBA 闭环解决,.

但是, 需要依赖数据库自有方案实现数据零丢失

以 MySQL 为例

还会引入类似问题,

●     物理容量受限于单机容量;

●     调度更复杂, 选定数据库实例的存储类型(比如 SSD )后, 一旦该实例发生”failover”, 只能调度到拥有 SSD 的物理节点, 这导致调度器需要对物理节点”Physical Topology Aware”;

●     密度难提升, 这是”Physical Topology Aware”的副作用;

●     因数据库的不同方案差异性较大, 通用性无法保证.

接下来, 进入正题, 看一下 MySQL 基于本地存储如何实现数据库零丢失.

MySQL 基于本地存储数据零丢失

最常用的是基于 Replication 模型将数据复制到 MySQL Cluster 中所有成员.

MySQL Master-Slave Replication (类似 Oracle DataGuard) 提供了基于 binlog 的数据库层的复制模型, 在高并发压力下节点间同步数据速率最快, 单位时间内的交易量受其他节点的影响极小, 该架构可通过 vip 漂移的方式实现 “failover”

MySQL Master-Slave Replication

但严格意义上来说, 这是基于 binlog 的 Asynchronous Replication 模型, 因此集群中所有成员存在数据不一致的可能,在”failover”时无法保证数据零丢失.

可见如果基于 Replication 模型, Synchronous Replication 是实现数据零丢失的前提.

传统的 Synchronous Replication 一般会采用两阶段提交或分布式锁, 这会带来如下几个问题 :

●     单位时间内事务能力(TPS) 会跟集群成员数量成反比

●     增加集群成员会显著且无法预期的增加事务响应时间

●     增加了集群成员数据复制的冲突和死锁的可能性

针对以上问题 Galera Cluster 提出 Certification-based Replication 来解决传统 Synchronous Replication 中遇到的问题, 实现如下 :

Deferred Update Replication 延迟更新复制

这个流程图中, 有几个细节需要分享,

●     将基于 binlog 改为基于 write-set. write-set 中包含修改的数据, Global Transaction ID (后面简称 GTID)和 Primary Key.

○     GTID 类似 45eec521-2f34-11e0-0800-2a36050b826b:94530586304

○     94530586304 为64-bit 有符号整型, 用来表示事务在序列中的位置

●     将传统的 Synchronous Replication 改为 Deferred Update Replication, 并将整个过程大致分解成四个阶段, 本地阶段, 发送阶段, 验证阶段和应用阶段, 其中 :

○     本地阶段 : 乐观执行, 在事务 Commit 前, 假设该 Transcation 在集群中复制时不会产生冲突

○     发送阶段 : 优化同步时间窗口, 除去全局排序并获取 GTID 为同步操作, 冲突验证和事务应用都为异步, 极大的优化了复制效率.

○     验证阶段 : 只有收到该事务的所有前置事务后(不能有 “hole”), 该事务和所有未执行的前置事务才能并发验证, 不然不能保证 Global Ordering, 因此这里需要牺牲效率, 引入一定的串行化.

      

需要等待事务3

于是就有了 Galera Cluster 在 MySQL 分支中的实现 MariaDB Galera Cluster (简称 MGC) 和 Percona Xtradb Cluster (简称 PXC)

为避免”split-brain”问题, 需要至少三节点组成集群, 对计算资源和存储资源的容量要求至少增加2倍, 会进一步降低资源的部署密度

越来越多的用户也期望通过该方案实现 跨 IDC 多活, 那么需要在规划阶段想清楚 :

     IDC 和 数据库节点的拓扑架构, 以保证在1个 IDC 出问题的情况, 集群可以持续提供服务

首先IDC (物理或逻辑) 最少需要3个, 再看看数据库节点数量分别为3, 4, 5, 6, 7的拓扑关系 :

●     3 数据库节点 :

●     4 数据库节点 :设置权重避免”split-brain” (? + ? ) + ? + ?

                         

●     5 数据库节点

●     6 数据库节点

●     7 数据库节点 : 可支持两种拓扑关系

同时, 还有 MySQL Group Replication (简称 MGR), 类似 Galera Cluster :

●     基于Corosync实现(Totem协议), 插件式安装, MySQL 官方原生插件.

●     集群架构, 支持多写(建议单写)

●     允许少数节点故障, 同步延迟较小, 保证强一致, 数据零丢失

●     单位时间的交易量受 flow control 影响.

这里还需要提一下 Vitess

●     该项目由 youtube 开源, 从文档看功能极为强大, 高度产品化.

●     作为第二个存储类项目(第一个是 Rook, 有意思是存储类而不是数据库类)加入 CNCF, 目前还处于孵化阶段(incubation-level).

●     笔者没有使用经验, 也不知道国内有哪些用户, 不做评论.

关于 MGR 和 Vitess 网上已有大量介绍, 这里不再赘述.

性能对比

在数据零丢失的前提下,  看看这几种架构在性能上的对比:

●     MGR 5.7.17 / PXC 5.7.14-26.17

●     MGR 5.7.17 / PXC 5.7.17-29.20 /  MariaDB 10.2.5 RC

●     本地存储 / 计算存储分离

性能对比1 : MGR 5.7.17 / PXC 5.7.14-26.17

测试背景描述 :

●     MGR 5.7.17  对比 PXC 5.7.14-26.17 (基于 Galera 3实现)

●     负载模型 : OLTP Read/Write (RW)

●     durability          : sync_binlog=1, innodb_flush_log_at_trx_commit=1

●     non-durability  : sync_binlog=0, innodb_flush_log_at_trx_commit=2

测试数据 : 

                            来自于 MySQL 官方

测试结果 :

在设置 durability 的情况下,  MGR 最大吞吐约是PXC 5.7.14-26.17 (基于 Galera 3 实现) 的3倍, 优势明显.

以上数据来自于MySQL 官方, 公平起见, 再来看看 Percona 在相同负载模型下的测试数据.

性能对比2 : MGR 5.7.17 / PXC 5.7.17-29.20 /  MariaDB 10.2.5 RC

测试背景描述 :

●     增加了 MariaDB 参与对比

●     PXC 升级到 5.7.17-29.20, 该版本改进了MySQL write-set 复制层性能.

●     负载模型 : 依然使用 OLTP Read/Write (RW)

●     durability          : sync_binlog=1

●     non-durability  : sync_binlog=0

测试数据 :

设置 durability , 数据来自于 Percona                

      

设置 non-durability , 数据来自于 Percona  

测试结果 :

在负载模型相同的情况下(durability 和 non-durability) PXC 5.7.17-29.20 性能与 MGR 5.7.17 不分伯仲. 如果使用 PXC, 推荐使用 5.7.17-29.20 或以上版本.

性能对比3 : 本地存储 / 计算存储分离

为了对比本地存储和计算存储分离, 专门使用 MGR + 本地存储架构 和 基于分布式存储的计算存储分离架构做性能对比.

测试结果 :

       在负载模型相同的情况下, 前者比后者 OLTP 下降32.12%, Select下降5.44%, Update下降24.18%, Insert 下降58.18%, Delete下降11.44%;

详细内容可留意 @波多野 同学 和 @韩杰 同学的测试报告, 这里不再赘述.

基于 Docker + Kubernetes 的实现

Docker + Kubernetes + MGR / Galera Cluster

在 github 上,可以看到基于 Docker + Kuberetes + PXC 的 demo. 需要说明的是, 这仅仅是个玩具, 离部署到生产环境还有极大差距.

我们已有计划实现满足生产环境的

 

●     Docker + Kubernetes + PXC

●     Docker + Kubernetes + MGC

●     Docker + Kubernetes + MGR

并集成到 QFusion 来支持计算存储分离架构和本地存储架构混合部署, 架构示意图如下 :

 目前原型验证阶段已通过, 预计2018年Q2发布.

Docker + Kubernetes + Vitess

在 github 上,同样可以看到基于 Docker + Kubernetes 的 demo. 有兴趣的同学可以玩一下.

性能只是选型需要考量的一部分, 要使用到生产环境或者产品化, 实际要考量的因素更多 :

●     运维 : 部署, 备份

●     弹性 : 计算存储扩容, 集群扩容

●     高可用 : 比如 “failover” 的细微差别对业务的影响

●     容错 : 比如网络对集群的影响, 尤其是在网络抖动或有明显延时的情况下

●     社区活跃度

●     …...

以现有软硬件的开放程度, 各种架构或者产品狭义上的”黑科技”并不多, 常常看到的

xxx 比 xxx 快 xxx 倍

严格来说应该是

xxx 比 xxx 在特定场景 xxx 下快 xxx 倍.

并不存在”一枪毙命”的”Silver Bullet”, 只是 Docker + Kubernetes 为混合部署带来可能. 哪种更受青睐, 拭目以待, 用户会是最好的老师.

<人月神话>中提到”No Silver Bullet.”, 原意是用来论述软件工程领域的生产力问题 由于软件的复杂性本质, 使得真正的银弹并不存在, 没有任何一项技术或方法可使软件工程的生产力在十年内提高十倍.

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