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17 高可用设计:你怎么活用三大架构方案?

我们前面学习了 MySQL 数据库复制的原理、优化,以及基于复制技术实现业务层的读写分离方案,这些内容都是为了铺垫 MySQL 数据库的高可用架构设计。因为复制是高可用的基础,但只用复制同步数据又远远不够,你还要结合自己的业务进行高可用设计。

同时,高可用也不仅仅是数据库的事情,你要从业务的全流程出发,思考怎么设计一个真正健壮的高可用架构。

现在,我们先来看看什么是高可用?为什么它如此重要。

高可用概念

首先,我们来看一下 wiki 上对高可用(High Availability)的定义:

High availability (HA) is a characteristic of a system which aims to ensure an agreed level of operational performance, usually uptime, for a higher than normal period.

从上面的描述来看,高可用(High Availability)是系统所能提供无故障服务的一种能力。 简单地说就是避免因服务器宕机而造成的服务不可用。

我们都知道,高可用是每个业务系统设计时,开发人员必须考虑的关键点。比如你的系统在发生不可用时,业务表现如何?用户能否容忍你的不可用时长?

而业界度量高可用能力也有统一标准:判断宕机时间,并以此计算出每年系统可用时间达到几个 9,来判断高可用架构是否健壮。具体如下表所示:

图片1.png

通常来说,系统至少要达到 4 个 9(99.99%),也就是每年宕机时间不超过 52.56 分钟,否则用户体验会非常差,感觉系统不稳定。

*99.99% = 1 - 52.56 / (365*24*60)*

不过 4 个 9 宕机 52 分钟对于生产环境的影响还是比较大,但是 5 个 9 对大部分系统来说要求又太高。所以一些云服务商会提出一个 99.995% 的可用性概念,那么系统一年的不可用时长为:

*不可用时长 = (1 - 99.995%)*365*24*60 = 26.28 (分钟)*

即一年最多的影响服务的时间为 26.28 分钟。

简单了解“高可用”有多么重要之后,接下来我们就来看一下,怎么设计高可用架构。

高可用架构设计

系统要达到高可用,一定要做好软硬件的冗余,消除单点故障(SPOF single point of failure)。

冗余是高可用的基础,通常认为,系统投入硬件资源越多,冗余也就越多,系统可用性也就越高。

除了做好冗余,系统还要做好故障转移(Failover)的处理。也就是在最短的时间内发现故障,然后把业务切换到冗余的资源上。

在明确上述高可用设计的基本概念后之后,我们来看一下高可用架构设计的类型:无状态服务高可用设计、数据库高可用架构设计。

无状态服务高可用设计

无状态的服务(如 Nginx )高可用设计非常简单,发现问题直接转移就行,甚至可以通过负载均衡服务,当发现有问题,直接剔除:

图片2.png

上图中,当第一台 Ningx 服务器出现问题,导致服务不可用,Load Balance 负载均衡服务发现后,就可以直接把它剔除。

对于上层用户来说,他只会在几秒内的访问出现问题,之后服务就立刻恢复了。无状态的服务,高可用设计就是这么简单。

数据库高可用架构设计

所以,系统高可用设计,真正的难点、痛点不在于无状态服务的设计,而在于数据库的高可用设计,这是因为:

  • 数据持久化在数据库中,是有状态的服务;
  • 数据库的容量比较大,Failover 的时间相对无状态服务会更多;
  • 一些系统,如金融场景的数据库,会要求数据完全不能丢失,这又增加了高可用实现的难度。

其实从架构角度看,数据库高可用本身也是业务高可用,所以我们要从业务全流程的角度出发,思考数据库的高可用设计。

我在这里提供了三种数据库的高可用架构设计方法,它们不但适用于 MySQL 数据库,也适用于其他数据库。

基于数据层的数据库高可用架构

基于数据层的数据库高可用架构,就是基于数据同步技术。当主服务器 Master 发生宕机,则故障转移到从服务器 Slave。

对于 MySQL 数据库来说,就是基于前面介绍的复制技术。对于 16 讲的读写分离架构,如果主服务器发生宕机,做如下操作就行了:

图片3.png

可以发现,我们原先的 Slave3 从服务器提升为了新主机,然后建立了新的复制拓扑架构,Slave2、Slave3 都连到新 Master 进行数据同步。

为了在故障转移后对 Service 服务无感知,所以需要引入 VIP(Virtual IP)虚拟 IP 技术,当发生宕机时,VIP 也需要漂移到新的主服务器。

那么这个架构的真正难点在于:

  1. 如何保障数据一致性;
  2. 如何发现主服务器宕机;
  3. 故障转移逻辑的处理;

我们可以通过 MySQL 提供的无损复制技术,来保障“数据一致性”。而“发现主服务器宕机”“处理故障转移逻辑”要由数据库高可用套件完成,我们 20 讲再来学习。

基于业务层的数据库高可用架构

第二种“基于业务层的数据库高可用架构设计”则完全基于业务实现,数据库只是用于存储数据。

当一台数据库主服务器不可用,业务直接写另一台数据库主服务器就可以了。我们来看一下这个架构:

图片4.png

从上图可以看到,Service 服务写入 Master1 主服务器失败后,不用等待故障转移程序启用主从切换,而是直接把数据写入 Master2 主服务器。

这看似是一种非常简单、粗暴的高可用架构实现方式,但能符合这样设计的业务却并不多,因为该设计前提是状态可修改

比如电商中的订单服务,其基本逻辑就是存储电商业务中每笔订单信息,核心逻辑就是往表Orders 中插入数据,即:

INSERT INTO Orders(o_orderkey, ... ) VALUES (...)

这里 o_orderkey 是主键。为了实现基于业务层的数据库高可用,可以在主键生成过程中加入额外信息,比如服务器编号,这样订单的主键设计变为了:

PK = 有序UUID-服务器编号

这样的话,当写入服务器编号 1 时失败了,业务层会把订单的主键修改为服务器编号 2,这样就实现了业务层的高可用,电商中的这种订单号生成方式也称为“跳单”。

而当查询订单信息时,由于主键中包含了服务器编号,那么业务知道该笔订单存储在哪台服务器,就可以非常快速地路由到指定的服务器。

但这样设计的前提是整个服务的写入主键是可以进行跳单设计,且查询全部依赖主键进行搜索。

看到这里,你是不是觉得非常符合 NoSQL 的 KV 访问设计呢?别忘了前面介绍的 Memcached Plugin 哦。

融合的高可用架构设计

刚刚“基于业务层的数据库高可用架构”中,虽然通过跳单设计,可以实现写入业务的高可用实现。但这时订单服务的查询功能会受到极大影响。在上面的例子中,当发生宕机时,服务器编号为 1 的订单无法查询。

所以,我给出一种业务和数据层相结合的高可用设计。这个架构可以解决宕机后,查询服务受限的问题。其架构图如下所示:

图片5.png

上图中,将不同编号的订单根据不同的数据库进行存放,比如服务器编号为 1 的订单存放在数据库 DB1 中,服务器编号为 2 的订单存放在数据库 DB2 中。

此外,这里也用到了 MySQL 复制中的部分复制技术,即左上角的主服务器仅将 DB1 中的数据同步到右上角的服务器。同理,右上角的主服务器仅将 DB2 中的数据同步到左上角的服务器。下面的两台从服务器不变,依然从原来的 MySQL 实例中同步数据。

这样做得好处是:

  • 在常态情况下,上面两台 MySQL 数据库是双活的,都可以有数据的写入,业务的性能得到极大提升。
  • 订单数据是完整的,服务器编号为 1 和 2 的数据都在一个 MySQL 实例上。
  • 更重要的是,这样当发生宕机时,Service 服务的写入不受到影响,写入服务器编号为 1 的订单通过跳单设计写入 DB2。
  • 同时,对于订单读取也不会受到影响,因为数据都是一个实例上,如:

图片6.png

多活

总结

这一讲我们学习了系统设计中最为重要的高可用设计,这是业务系统设计中必须考虑的一点。生产环境没有高可用,是根本无法完成上线工作的。

这一讲我建议你反复阅读,加深自己对于高可用系统设计的理解。因为这些思想不限于 MySQL数据库,而是适用所有数据库以及业务系统。

最后,我来总结下今天的内容:

  1. 高可用是系统所能提供无故障服务的一种能力,度量单位是几个 9;
  2. 线上系统高可用目标应不低于 99.995%,否则系统频繁宕机,用户体验不好;
  3. 高可用实现基础是:冗余 + 故障转移;
  4. 无状态服务的高可用设计较为简单,直接故障转移或剔除就行;
  5. 数据库作为有状态的服务,设计比较复杂(冗余通过复制技术实现,故障转移需要对应的高可用套件);
  6. 数据库高可用有三大架构设计,请务必牢记这几种设计。