阿里云数据库开源重磅发布(PolarDB三节点高可用的功能特性和关键技术)

简介:在3月2日的阿里云开源 PolarDB 企业级架构发布会上,阿里云数据库技术专家孟勃荣 带来了主题为《PolarDB 三节点高可用》的精彩演讲。三节点高可用功能主要为 PolarDB 提供金融级强一致性、高可靠性的跨机房复制能力,基于分布式共识算法同步数据库物理日志,自动failover,任意节点故障后数据零丢失。本议题主要介绍PolarDB三节点高可用的功能特性和关键技术。
在3月2日的阿里云开源 PolarDB 企业级架构发布会上,阿里云数据库技术专家孟勃荣带来了主题为《PolarDB 三节点高可用》的精彩演讲。三节点高可用功能主要为 PolarDB 提供金融级强一致性、高可靠性的跨机房复制能力,基于分布式共识算法同步数据库物理日志,自动failover,任意节点故障后数据零丢失。本议题主要介绍PolarDB三节点高可用的功能特性和关键技术。
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以下根据发布会演讲视频内容整理:
PolarDB for PostgreSQL三节点高可用功能主要是将物理复制与一致性协议相结合,为PolarDB 提供金融级强一致性以及高可靠的跨机房复制能力。
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PG 原生的流复制支持异步/同步/Quorum三种同步方式。
同步复制的主要目标是保证数据不丢失,但它同时也会带来三个问题:
① 无法满足可用性的要求,备库出现故障或网络链路抖动的时候,会影响主库的可用性,这对生产环境是不可接受的。其次它不能完全保证数据不丢失,同步复制保证数据不丢失的方案是当备机没有完全持久化RW日志前,主库的事务不能提交。在某种极端情况下,比如主库已经写入了WAL日志,等待备库同步WAL日志的过程中主库发生了重启,那么在重启的过程中,日志回放的过程是不等待备库持久化的。所以回放完成后,有可能备库没有持久化,而日志在主库上回放完之后已经对外可见了。
② 不具备故障自动切换的能力。自动切换、可用性探测等能力都依赖于外部的组件。
③ 旧的主库在故障恢复之后,可能无法直接加入到集群。比如当事务在主库上的WAL日志已经持久化,而备库还未收到日志或者还未持久化。此时如果主库出现了故障,备库切换成主库后,旧的主库重新运行后,因为在重启之前有多余的 WAL 日志,所以无法直接从主库上拉取日志,必须依赖于其他工具对其一致性进行处理后才能加入到集群里。
异步复制相比于同步复制,性能比较好,可用性也更高,因为备机的故障或网络链路的抖动不会影响主库,但它最大的问题是丢数据。比如原来在主库上能看到的数据,发生切换之后在备库上不存在。其次,它也不具备自动故障切换和自动探测的能力,切换后的主库无法自动加入到集群里。
Quorum复制使用了多数派的方案之后,可能也能保证不丢数据,但它并没有涉及到当主机发生故障时如何选取新的主机;其次,每个节点的日志不一致时,如何确保日志的一致性;第三,集群发生变更的时候,如何保证集群状态最终的一致性。针对以上问题,Quorum复制没有提供完整的解决方案。所以本质上来说, PG 的 Quorum 复制并不是一个完整的、不丢数据的高可用方案。
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我们的方案是将阿里内部的一致性协议 X-Paxos 引入进来协调物理复制。X-Paxos 在阿里内部和阿里云的多个产品上已经稳定运行了很长时间,因此它的稳定性得以保障。它的的一致性协议的算法和其他的协议是类似的。
【阿里云数据库开源重磅发布(PolarDB三节点高可用的功能特性和关键技术)】整个高可用方案是一个单点写入、多点可读的集群系统。 Leader 节点作为单点写入节点对外提供读写服务,产生了WAL日志后向其他节点同步。Follower 主要是接受来自于 Leader 节点的 WAL 日志,并进行回放,对外提供只读服务。
那么它的主要能力是包括以下三个方面:
保证集群内数据的强一致性,即 RPO=0。当多数派节点的WAL日志写入成功后,才认为此日志在集群层面已经提交成功。发生故障时,其他Follower 节点会自动与 Leader 节点对齐日志。
自动 failover 。在高可用集群中,只要半数以上的节点存活,就能保证集群正常对外提供服务。因此当少数 failover 故障或少数节点网络不通的时候,并不会影响集群的服务能力。
当 Leader 节点故障或与多数派节点网络不通的时候,会自动触发集群重新选主流程,由新主对外提供读写服务。另外 Follower 节点也会自动从新的 Leader 节点上同步WAL日志,并且自动与新的 Leader 日志对齐。此时如果Follower 上的日志比新 Leader 上多,则会自动从新 Leader 上对齐WAL日志。
在线集群变更可以支持在线增删节点、手动切换、角色变换,比如从 Leader 切到 follower角色。此外还能支持所有节点设置选举权重,选举权重高的节点会优先被选为主。同时,集群变更操作不影响业务的正常运行,此能力的实现由一致性协议来保证。最终集群内配置达成一致,不会因为集群配置过程中的异常情况导致状态不一致的问题。
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三节点高可用功能中增加了一个新的角色: Learner 节点。它没有多数派的决策权,但能够提供只读服务。
Learner 节点的日志同步状态与 Leader 无关,也不会影响 Leader ,它的主要作用有两点:
① 作为加节点的中间状态。比如新加的 Leader 节点延迟比较大,如果直接将其加入到多数派里,会影响多数派的提交。因此,先以 learner 的角色加入到集群来同步数据,当它的数据基本追上 Leader 之后,再升为 follower节点。
② 作为异地灾备节点。它不会影响主库的可用性,发生 Leader 切换之后,它能自动从新的账号同步日志,不需要外部的介入。
在集群部署方面,能够支持跨机房和跨域的部署,包括同机房三副本、同城三机房三副本,以及两地三机房五副本、三地三机房五副本等。另外跨域也可以利用 Learner 节点进行灾备,不会影响 Leader 节点的可用性。
此外,它兼容了 PG 原生的流复制和逻辑复制,能够保证下游的消费不受影响,保证下游不会出现未提交的数据。
从前文的介绍中可以看到,在 PolarDB 的高可用方案中,至少要存储三份数据,存储成本会有所增加。针对这个问题,我们提供了两个方面的解决方案:
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首先,提高资源的利用率。 Follower 节点可以作为只读节点来提供读服务,从而增加整个集群的读扩展能力;此外,支持跨节点的并行查询能力,可以充分利用各个基节点的资源。
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其次,引入了日志节点,减少资源的占用。日志节点本身不存储数据,它只存储实时的WAL 日志,仅作为日志持久化的多数派节点之一。此日志节点本身也具备完整的日志复制能力,可以兼容原生的流复制和逻辑复制,可以将其作为下游日志消费的源,从而减少 Leader 节点的日志传输压力。可以根据下游日志消费的需求,来定制日志节点的网络规格或者其他资源。
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一致性协议复制的基本原理主要包含三个方面:
① 通过原生的异步流复制来传输或同步WAL日志。
② 由一致性协议来推动集群的提交位点。
③ 针对自动 failover 的问题,根据一致性协议层面自身状态的变化,来驱动数据库层面的状态变化。比如心跳超时之后,可能会自动降级。
具体实现上,以 Consensus Log 为载体来推进提交位点。针对每一段WAL日志生成相应的 Consensus Log Entry ,里面记录了WAL日志的结束 LSN。 而后引入一个持久化依赖,保证每个 Log Entry持久化的时候,本节点上相应位点的WAL日志已经持久化成功。
引入上述两个机制后,如果一致性协议层面认为 Consensus Log 已经提交成功,则意味着 Consensus Log 已经在多数派上持久化成功,相应位点的WAL日志肯定也已经持久化成功。
以上图为例, Leader 上已经持久化了三段 WAL 日志,在 Follower 1 节点上,虽然 log entry 的 WAL 日志已经持久化成功,但它对应的 Consensus Log还未持久化成功,所以一致性协议就认为此 Consensus Log也没有持久化成功。Follower 2 上 Log Entry和Consensus Log 没有持久化,它的WAL日志只持续化了一段,它的 WAL 日志段也没有持久化成功。因此,根据一致性协议,当前 LogIndex 2 的日志在多数派节点上已经写入成功,当前 Consensus Log的 CommitIndex 就是 2 ,对应的那 Commit LSN 就是300。
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上图为tpmC 测试过程中 RTO 的情况。tpmC 达到 30 万左右的时候,进行kill 主库的操作。可以看到,不到 30 秒,新的主库已经恢复了写的能力,并且恢复到切换之前的水平。
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