云数据库 RDS：组复制简介

组复制的优势

组复制、半同步复制、异步复制的数据可靠性、数据一致性、全局事务一致性情况如下表所示。

数据强可靠性

组复制的数据强可靠性来源于Paxos协议的多数派原则，即当多数派收到事务的Binlog后，事务才能在各节点提交。这保证了在多数派可用的情况下，任何节点故障都不会导致数据丢失。

例如，5个节点的集群，3个节点收到Binlog，2个节点未收到Binlog，此时有2个节点故障：

• 如果故障的2个节点是收到Binlog的节点，那至少还有1个节点上有数据。

• 如果故障的2个节点是没收到Binlog的节点，那至少还有3个节点上有数据。

数据强一致性

在组复制中，事务总是先传输到集群中其他节点，然后写入Binlog文件，这保证无论主节点在什么时刻发生故障，重新启动后数据都不会比集群选出的新主节点多。旧主节点故障重启后，能够自动加回集群，拉取它缺失的Binlog，就能够获得最新的数据，不会导致主备节点数据不一致。

而在传统主备复制模式中，事务是先写入Binlog文件，然后传输到备节点。这样，如果主节点在写入Binlog后，传输数据到备节点之前发生故障，重新启动后数据就会多于备节点。如果此时备节点已经被切换成新主节点，就会出现主节点数据少于备节点，主备节点数据不一致的情况。

全局事务强一致性

组复制具备集群的节点间的数据全局强一致读和全局强一致写能力，并且可根据业务需要修改group_replication_consistency参数来调整读写的一致性等级：

• 设置备节点的强一致读能力：可以在备节点上设置Session级别的group_replication_consistency参数为BEFORE，然后执行查询语句。此时，备节点会等到主节点上所有先于此查询语句的事务应用完成后，再执行这条查询语句。这样在备节点和主节点上就会读到一致的数据。

• 设置主节点的强同步写能力：可以在主节点上设置Session级别的group_replication_consistency参数为AFTER，然后执行写事务，这个事务会等到所有节点应用成功后，再在主节点上返回提交成功的消息到客户端。

组复制的部署模式

如上图所示，组复制支持单主和多主两种部署模式：

• 多主模式（Multiple Leader）：

  集群中所有节点均可读可写。多主模式的组复制主要用于扩展实例的写能力。它依赖Paxos协议的多点写入能力，辅以行级别的冲突检测，能够保证所有节点收到数据的顺序一致，实现多写。

  但它的严重缺陷是，在多数派可用的情况下，任何节点的故障都会导致集群的抖动（短时间不可用）。

• 单主模式（Single Leader）：

  集群中只有一个节点可以写入数据，其他节点只能读不能写。单主模式的组复制依赖Paxos Single Leader实现，在扩展读能力、提高数据可靠性的同时，保持了高可用性：

  • 当备节点故障时，只要多数派可用，就不会影响集群的可用性。

  • 当主节点故障时，集群能够根据Paxos协议，在保证数据强一致性的情况下自主进行主备切换。

  RDS MySQL提供了单主模式的组复制实例，并对只读节点做了优化，在保证数据的高可靠和强一致的同时，提供了更平滑的性能。

组复制的架构

如上图所示，在MySQL的Server层和Replica层之下，组复制的架构分为三层：

• 组复制层（Group Replication Logic Layer）：在单机MySQL的Server层之下，组复制增加了组复制层，该层通过钩子（HOOK）与Server层相连，负责向组通讯层发送、接收并回放事务。

• 组通讯层（Group Communication System Layer）：与XCom层共同实现组复制层与集群的通讯。该层除了负责消息的传递，还负责故障检测和集群成员的管理。

• XCom层（Paxos Layer）：基于Paxos协议实现，与组通讯层共同实现组复制层与集群的通讯，以及消息传递的全局有序性和集群成员的角色切换。它能够保证所有节点收到数据的顺序一致，同时保证只要多数派可用，数据就不会丢失。

XCom层

Paxos协议

Paxos协议在组复制中的作用主要有以下两点：

• 确保集群中各节点收到数据的顺序一致，这是多主模式实现的基础。

• 确保多数派收到数据后，事务才能提交。这对数据可靠性很重要，可以保证只要多数派可用，数据就不会丢失。

在Paxos协议中，使用锁的方式来实现节点间顺序一致性，这种方式存在一定的效率问题，并且还存在着负载不均衡的问题。在工程实现过程中，MySQL的XCom层基于Paxos的变种协议，Mencius协议。这是一种使用轮询的方法实现的Leaderless Paxos协议，能够有效提升节点间的负载均衡。

多主模式实现原理

多主模式基于Mencius协议。如上图所示，在Mencius协议中，集群中每个节点都会主动和其他节点建立连接，领导一个单主的Paxos组。对于n个节点的集群，会形成n个互不干预的Paxos组。每个组中只允许Leader节点发送数据，当多数派收到数据后，视为数据发送成功。当一个节点的客户端收到数据时，会使用自己领导的Paxos组发出数据，这个发送动作是串行的，因此单个组内的数据顺序是一致的。

多个组在发出数据时，为了保证顺序性，使用轮询处理机制。也就是说，XCom层在接收到多个Paxos组的数据后，必须按一个预先约定好的顺序传给组复制层。如上图所示，数据必须按照 (1,1)、(1,2)、(1,3) 这样的顺序发送给组复制层。

当一个节点发现比自己的顺序号靠后的数据已经完成了Paxos过程，并且自己的这个位置上没有数据要发送时，就会广播一个Noop，通知其他节点自己的这个顺序号可以跳过。每一个节点必须等顺序在自己前面的一个节点发出数据或发出Noop后才能发出数据。当某个节点故障或抖动时，它既不能发出数据又不能发出Noop，在故障恢复或节点抖动期间，就会导致后续节点的数据无法发出，集群将完全不可用。这是多主模式的一个严重缺陷。

单主模式实现原理

上文中提到的多主模式的缺陷可以优化，但无法从根源上避免。为此MySQL推出了组复制的单主模式，来解决少数派故障对集群可用性的影响。

上图是单主模式的XCom架构，由于只有一个节点可写，只需激活一个Paxos组。接收方的XCom在轮询数据时，会自动忽略其他Paxos组。这样，只要多数派可用，Paxos就能正常发送数据，集群的可用性不受影响。

在单主模式下，备节点不会发送事务数据，但有时需要发送一些集群管理信息。备节点在发送数据时，必须向主节点请求一个发送信息的位置，如上图中的 <3, 1>，并使用这个位置向全集群发送自己的数据。这种发送方式效率低、时延高，但由于集群管理信息发送的频率很低，并不会对性能造成影响。

组复制层

组复制层的主要工作是向集群发送、接收并回放事务，其在主节点和备节点上的工作原理如下：

• 在主节点上：当一个事务在主节点进入提交阶段时，事务的Binlog会先被传到XCom层中，发送给其他节点。当确认多数派收到事务后，会对事务进行冲突检测，如果成功则写入Binlog文件并提交，如果失败则回滚事务。

• 在备节点上：当一个事务被多数派接收后，会由XCom层传给组复制层，进行冲突检测。如果成功则事务会被写入Relay Log，随后被Applier线程应用，如果失败则此事务的数据会被直接丢弃。

冲突检测

• 场景

  组复制在以下两种场景中，都需要将不同节点的事务在同一个节点上执行，因此需要对不同节点间的事务进行冲突检测，以确保它们的修改没有冲突：

  • 多主模式下，所有写操作都需要冲突检测。

  • 单主模式下，如果发生切主，并且新主节点在应用完旧主的Relay log前，就执行写事务，也需要冲突检测。

• 原理

  在组复制中，使用数据行的主键哈希值来进行行级别的冲突检测。每个节点都会维护一个事务认证信息数组，这是一个哈希数组，它的key是数据行的哈希值，它的value是最近修改这一行的事务的GTID与此事务在源节点提交时的gtid_executed（源节点上所有提交过的事务的gtid集合）的并集。

  一个事务在源节点准备提交时，除了发送自己修改的数据到其他节点外，还会发送一个gtid 集合，这个集合是该事务提交时，源节点上的gtid executed（源节点上所有提交过的事务的gtid集合）。这个集合标识了当前事务提交前，源节点上哪些事务已经完成提交，这里将其称为提交集合。

  同时，集群内的所有节点（包括源节点），都会使用当前事务修改的所有数据行（下文简称为相关行）的哈希值作为key，到认证信息数组中读取value，并将读到的这些value合并为一个gtid集合。这个集合标识了当前事务提交前，哪些事务必须完成提交，这里将其称为依赖集合。

  在当前事务提交或写入Relay Log前，需要将上述两个集合进行比较：

  • 如果提交集合包含了依赖集合，则说明所有之前修改过相关行的事务均已提交。此时冲突检测成功，源节点上需要将当前事务写入Binlog 并提交，其他节点上需要将当前事务写入Relay Log。

  • 如果提交集合没有包含依赖集合，则说明有之前修改过相关行的事务未提交。此时冲突检测失败，源节点上需要回滚当前事务，其他节点上需要丢弃Relay Log。

  认证信息数组还必须及时清理无用数据，以节省内存空间。当一个事务在所有节点上都被执行之后，任何其他事务都不会跟它冲突了，此事务修改的所有行都可以从认证信息数组中清理掉。在组复制中每60秒会清理一次已执行的事务的数据。

AliSQL对组复制稳定性的优化

组复制的稳定性在引入单主模式后有了较大的改善，但是在一些场景下，仍存在稳定性问题。当备节点的延迟较大时，会有大量的事务无法及时应用，这会导致认证信息大量积累，会有以下两方面影响：

• 大量的认证信息会占用很多内存，导致实例内存溢出（OOM）。

• 认证信息堆积可能导致清理的代价变高，影响实例的稳定性。

AliSQL对认证信息的清理做了两点优化：

• 在主节点上：无论何种情况，认证信息数组都不会被使用，因此主节点上不再保留认证信息数组，可以消除认证信息对主节点的资源和稳定性的影响。

• 在备节点上：只有当group_replication_consistency参数设置为EVENTUAL时需要保留认证信息。因为在这个配置下，备节点在切为主节点后会立刻对外提供服务，不会等待Relay Log回放完成，有可能产生数据操作的冲突。这种不等新主节点应用完成，就对外提供服务的方式在日常生产中并不常用。在禁止这种行为后，可以减少备节点的认证信息保留量，节省备节点的内存开销，提升集群的稳定性。