LedisDB Replication设计

对于使用SQL或者NoSQL的童鞋来说,replication都是一个避不开的话题,通过replication,能极大地保证你的数据安全性。毕竟谁都知道,不要把鸡蛋放在一个篮子里,同理,也不要把数据放到一台机器上面,不然机器当机了你就happy了。

在分布式环境下,对于任何数据存储系统,实现一套好的replication机制是很困难的,毕竟CAP的限制摆在那里,我们不可能实现出一套完美的replication机制,只能根据自己系统的实际情况来设计和对CAP的取舍。

对于replication更详细的说明与解释,这里推荐Distributed systems
for fun and profit
,后面,我会根据LedisDB的实际情况,详细的说明我在LedisDB里面使用的replication是如何实现的。

BinLog

最开始的时候,Ledisdb采用的是类似MySQL通用binlog的replication机制,即通过binlog的filename + position来决定需要同步的数据。这套方式实现起来非常简单,但是仍然有一些不足,主要就在于hierarchical replication情况下如果master当掉,选择合适的slave提升为master是比较困难的。举个最简单的例子,假设A为master,B,C为slave,如果A当掉了,我们会在B,C里面选择同步数据最多的那个,但是是哪一个呢?这个问题,在MySQL的replication中也会碰到。

MySQL GTID

在MySQL 5.6之后,引入了GTID(Global transaction ID)的概念来解决上述问题,它通过Source:ID的方式来在binlog里面表示一个唯一的transaction。Source为当前server的uuid,这个是全局唯一的,而ID则是该server内部的transaction ID(采用递增保证唯一)。具体到上面那个问题,采用GTID,如果A当掉了,我们只需要在B和C的binlog里面查找比较最后一个A这个uuid的transaction id的大小,譬如B的为uuid:10,而C的为uuid:30,那么铁定我们会选择C为新的master。

当然使用GTID也有相关的限制,譬如slave也必须写binlog等,但它仍然足够强大,解决了早期MySQL replication的时候一大摊子的棘手问题。但LedisDB并不准备使用,主要就在于应用场景没那么复杂的情况,我需要的是一个更加简单的解决方案。

Google Global Transaction ID

早在MySQL的GTID之前,google的一个MySQL版本就已经使用了global transaction id,在binlog里面,它对于任何的transaction,使用了group id来唯一标示。group id是一个全局的递增ID,由master负责维护生成。当master当掉之后,我们只需要看slave的binlog里面谁的group id最大,那么那一个就是能被选为master了。

可以看到,这套方案非常简单,但是限制更多,譬如slave端的binlog只能由replication thread写入,不支持Multi-Masters,不支持circular replication等。但我觉得它已经足够简单高效,所以LedisDB准备参考它来实现。

Raft

弄过分布式的童鞋应该都或多或少的接触过Paxos(至少我是没完全弄明白的),而Raft则号称是一个比Paxos简单得多的分布式一致性算法。

Raft通过replicated log来实现一致性,假设有A,B,C三台机器,A为Leader,B和C为follower,(其实也就是master和slave的概念)。A的任何更新,都必须首先写入Log(每个Log有一个LogID,唯一标示,全局递增),然后将其Log同步到至少Follower,然后才能在A上面提交更新。如果A当掉了,B和C重新选举,如果哪一台机器当前的LogID最大,则成为Leader。看到这里,是不是有了一种很熟悉的感觉?

LedisDB在支持consensus replication上面,参考了Raft的相关做法。

名词解释

在详细说明LedisDB replication的实现前,有必要解释一些关键字段。

  • LogID:log的唯一标示,由master负责生成维护,全局递增。
  • LastLogID:当前程序最新的logid,也就是记录着最后一次更新的log。
  • FirstLogID:当前程序最老的logid,之前的log已经被清除了。
  • CommitID:当前程序已经处理执行的log。譬如当前LastLogID为10,而CommitID为5,则还有6,7,8,9,10这几个log需要执行处理。如果CommitID = LastLogID,则证明程序已经处于最新状态,不再需要处理任何log了。

LedisDB Replication

LedisDB的replication实现很简单,仍然是上面的例子,A,B,C三台机器,A为master,B和C为slave。

当master有任何更新,master会做如下事情:

  1. 记录该更新到log,logid = LastLogID + 1,LastLogID = logid
  2. 同步该log到slaves,等待slaves的确认返回,或者超时
  3. 提交更新
  4. 更新CommitID = logid

上面还需要考虑到错误处理的情况。

  • 如果1失败,记录错误日志,然后我们会认为该次更新操作失败,直接返回。
  • 如果3失败,不更新CommitID返回,因为这时候CommitID小于LastLogID,master进入read only模式,replication thread尝试执行log,如果能执行成功,则更新CommitID,变成可写模式。
  • 如果4失败,同上,因为LedisDB采用的是Row-Base Format的log格式,所以一次更新操作能够幂等多次执行。

对于slave

如果是首次同步,则进入全同步模式:

  1. master生成一个snapshot,连同当前的LastLogID一起发送给slave。
  2. slave收到该dump文件之后,load载入,同时更新CommitID为dump文件里面的LastLogID。

然后进入增量同步模式,如果slave已经有相关log,则直接进入增量同步模式。

在增量模式下面,slave向master发送sync命令,sync的参数为下一个需要同步的log,如果slave当前没有binlog(譬如上面提到的全同步情况),则logid = CommitID + 1, 否则logid = LastLogID + 1。

master收到sync请求之后,有如下处理情况:

  • sync的logid小于FirstLogID,master没有该log,slave收到该错误重新进入全同步模式。
  • master有该sync的log,于是将log发送给slave,slave收到之后保存,并再次发送sync获取下一个log,同时该次请求也作为ack告知master同步该log成功。
  • sync的log id已经大于LastLogID了,表明master和slave的状态已经到达一致,没有log可以同步了,slave将会等待新的log直到超时再次发送sync。

在slave端,对于接受到的log,由replication thread负责执行,并更新CommitID。

如果master当机,我们只需要选择具有最大LastLogID的那个slave为新的master就可以了。

Limitation

总的来说,这套replication机制很简单,易于实现,但是仍然有许多限制。

  • 不支持Multi-Master,因为同时只能有一个地方进行全局LogID的生成。不过我真的很少见到Multi-Master这样的架构模式,即使在MySQL里面。
  • 不支持Circular-Replication,slave写入的log id不允许小于当前的LastLogID,这样才能保证只同步最新的log。
  • 没有自动master选举机制,不过我觉得放到外部去实现更好。

Async/Sync Replication

LedisDB是支持强一致性的同步replication的,如果配置了该模式,那么master会等待slave同步完成log之后再提交更新,这样我们就能保证当master当机之后,一定有一台slave具有跟master一样的数据。但在实际中,可能因为网络环境等问题,master不可能一直等待slave同步完成log,所以通常都会有一个超时机制。所以从这点来看,我们仍然不能保证数据的强一致性。

使用同步replication机制会极大地降低master的写入性能,如果对数据一致性不敏感的业务,其实采用异步replication就可以了。

Failover

LedisDB现在没有自动的failover机制,master当机之后,我们仍然需要外部的干预来选择合适的slave(具有最大LastLogID那个),提升为master,并将其他slave重新指向该master。后续考虑使用外部的keeper程序来处理。而对于keeper的单点问题,则考虑使用raft或者zookeeper来处理。

后记

虽然LedisDB现在已经支持replication,但仍然需要在生产环境中检验完善。

LedisDB是一个采用Go实现的高性能NoSQL,接口类似Redis,现在已经用于生产环境,欢迎大家使用。

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