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隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)庫的重要性也越來越凸顯。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用流量增長到一定程度時(shí)，單臺(tái)數(shù)據(jù)庫無法承受如此大的負(fù)荷。這時(shí)候，我們需要數(shù)據(jù)庫集群來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和負(fù)載均衡。但是，集群模式下，不同節(jié)點(diǎn)之間必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。本文將對(duì)數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)的原理進(jìn)行簡述。
一、數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)的作用
在數(shù)據(jù)庫集群中，如果只是簡單的將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到不同節(jié)點(diǎn)，那么會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況。比如說，用戶在一臺(tái)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了修改，但是該節(jié)點(diǎn)并沒有同步到其他節(jié)點(diǎn)，這時(shí)候如果其他節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，那么就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問題。因此，為了維護(hù)及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的同步。
二、數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)的目標(biāo)
數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)的目標(biāo)是保證在不同的節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)具有一致性和正確性。在這個(gè)基礎(chǔ)上，需要滿足以下幾個(gè)要求：
1. 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和同步；
2. 當(dāng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在不同節(jié)點(diǎn)的主機(jī)上進(jìn)行修改時(shí)，需要通知其他節(jié)點(diǎn)，讓其也能及時(shí)和正確地同步該數(shù)據(jù)；
3. 數(shù)據(jù)庫同步過程中不能影響當(dāng)前系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)該保證集群在同步的同時(shí)，能夠應(yīng)用程序不受影響地處理其他請(qǐng)求；
4. 當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)現(xiàn)象時(shí)，需要通過相應(yīng)的機(jī)制避免“分片”現(xiàn)象對(duì)數(shù)據(jù)的影響，保證集群的一致性。
三、數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理
1. 基于主從模式同步
主從模式是最基本的一種數(shù)據(jù)庫集群模式。在這種模式下，有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)(從節(jié)點(diǎn))。所有的寫入操作都在主節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行，從節(jié)點(diǎn)則只能執(zhí)行讀操作。主節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)發(fā)生修改后，就向所有被動(dòng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)變更信息，從節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)變更信息后，再主動(dòng)與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新交互，將修改后的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。
該模式的優(yōu)點(diǎn)是簡單易懂，缺點(diǎn)則是存在單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)和容災(zāi)能力差。
2. 基于主主模式同步
在主主模式下，不同節(jié)點(diǎn)之間同時(shí)擁有寫操作和讀操作的功能，寫入的數(shù)據(jù)可以在不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行復(fù)制和同步。也就是說，不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)都應(yīng)該是完全相同的。在該模式下需要解決數(shù)據(jù)沖突、鎖競(jìng)爭等問題。
主主模式在實(shí)現(xiàn)過程中，需要考慮到許多復(fù)雜情況的處理，比如在主主模式下，兩臺(tái)機(jī)器在不同時(shí)間段對(duì)同一條記錄進(jìn)行修改時(shí)，就需要考慮數(shù)據(jù)同步的問題。同時(shí)，數(shù)據(jù)的沖突、鎖競(jìng)爭等問題都需要引入解決機(jī)制，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
3. 基于復(fù)制日志同步
復(fù)制日志同步是現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)之一。在這種技術(shù)下，主節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄每次的數(shù)據(jù)變更情況，同時(shí)向所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)變更日志。從節(jié)點(diǎn)接收到新的數(shù)據(jù)變更信息后，就向主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)變更日志，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。
復(fù)制日志同步的優(yōu)點(diǎn)在于，具有較高的性能和容災(zāi)能力，且節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)一定是一致的。其缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要考慮很多實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
4. 基于Voting同步
基于Voting的同步方式是一種基于指數(shù)級(jí)管道的系統(tǒng)。在該同步方式下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)維護(hù)一個(gè)日志列表，并在每個(gè)磁盤上記錄一個(gè)計(jì)數(shù)器；當(dāng)數(shù)據(jù)變更時(shí)，主節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器會(huì)加1，并將日志發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器也都會(huì)遞增。與主節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器和日志項(xiàng)完全匹配后，才會(huì)被同步到其他節(jié)點(diǎn)。
Voting同步的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，并能自適應(yīng)地選擇合適的同步節(jié)點(diǎn)。其缺點(diǎn)在于需要高效的分布式協(xié)議，并且執(zhí)行效率較低。
四、結(jié)論
隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)也在不斷完善。對(duì)于不同的使用場(chǎng)景，需要選擇適合的技術(shù)方案，以保持集群的高可靠性和高性能。在選擇合適的技術(shù)方案上，需要考慮到數(shù)據(jù)一致性、容錯(cuò)性、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等因素，才能夠有助于提升我們的數(shù)據(jù)庫集群架構(gòu)的效率和可靠性。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 數(shù)據(jù)庫集群的性質(zhì)
數(shù)據(jù)庫集群的性質(zhì)
一.與分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的區(qū)別 數(shù)據(jù)庫集群有的具有單份數(shù)據(jù)集，有的具有兩份或槐談多份相似的數(shù)據(jù)集，有的具有兩份或多份實(shí)時(shí)一致的數(shù)據(jù)集；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)往往具有完全不同的數(shù)據(jù)集。 數(shù)據(jù)庫集群往往是同構(gòu)的系統(tǒng)，要求集群各節(jié)點(diǎn)都具有相同的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)版本，甚至補(bǔ)丁包的版本也要求保持一致；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以是異構(gòu)系統(tǒng)，包含不同的操作系統(tǒng)和不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)庫集群往往建立在高速局域網(wǎng)內(nèi)；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既可以是高速局域網(wǎng)，也可以是跨部門、跨單位的異地遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。 二.數(shù)據(jù)庫集群的技術(shù)指標(biāo)
由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是任何一個(gè)信息系統(tǒng)的核心，因此除了業(yè)務(wù)邏輯之外，用戶還關(guān)心下面三點(diǎn)：
1. 系統(tǒng)性能
性能問題涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用設(shè)計(jì)架構(gòu)、代碼質(zhì)量等多方面。但是數(shù)據(jù)庫集群如果能提供負(fù)載均衡能力和自動(dòng)優(yōu)化能力，則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能具有莫大的好處。
2. 數(shù)據(jù)可靠性
在系統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等故障)條件下數(shù)據(jù)丟失的可能性。有的系統(tǒng)從設(shè)計(jì)原理上注定了必然會(huì)存在理論上的數(shù)據(jù)丟失可能性，而有的系統(tǒng)因?yàn)槿哂嘣O(shè)計(jì)原理，可以保證理論上的數(shù)據(jù)零丟失。鉛改碰用容災(zāi)領(lǐng)域的術(shù)語來講，這類似于RPO(Recovery Point Objective)，但是不完全等同于RPO。
3. 服務(wù)可用性
在系殲則統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等故障)條件下整個(gè)系統(tǒng)停止對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)的可能性。與上面的數(shù)據(jù)庫可靠性緊密關(guān)聯(lián)，如果一個(gè)系統(tǒng)從理論上存在數(shù)據(jù)丟失的可能性，那么這樣的系統(tǒng)必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)停止。同樣地，用容災(zāi)領(lǐng)域的術(shù)語來講，這類似于RTO(Recovery Time Objective)，但是也同樣不能完全等同于RTO。
三.數(shù)據(jù)庫集群的分類
在市場(chǎng)上，數(shù)據(jù)庫集群是一個(gè)籠統(tǒng)的名詞，沒有一個(gè)權(quán)威的定義，各市場(chǎng)參與者往往是各取所需，推出各種特色的數(shù)據(jù)庫集群解決方案。一般地具有下列四種集群方案：
1．基于串行數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù)
串行復(fù)制技術(shù)，本來是用于數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)備份的，離人們熟悉的“數(shù)據(jù)庫集群”的概念有一定的距離。但是由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用這種概念和技術(shù)構(gòu)成的“數(shù)據(jù)庫集群”有了一定的可行性。此類集群，又可以分兩類:
a.串行異步復(fù)制
此種方式是數(shù)據(jù)的異步串行復(fù)制。主要采用數(shù)據(jù)庫事務(wù)日志傳送或者硬盤數(shù)據(jù)塊傳送技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，SQL Server自帶的復(fù)制、鏡像和SQL2023新出的AlwaysON(備機(jī)可讀)以及第三的一些鏡像Mirror技術(shù)都是屬于此類產(chǎn)品，此類技術(shù)和產(chǎn)品本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)備份技術(shù)和產(chǎn)品。下列以事務(wù)日志傳送(Log Shipping)為例來說明。主數(shù)據(jù)庫完成事務(wù)處理后，生成事務(wù)處理日志，日志記錄通過FIFO隊(duì)列，進(jìn)入備份數(shù)據(jù)庫處理，從而得到備份數(shù)據(jù)。此種方式的缺陷在于：
a) 主數(shù)據(jù)庫并行處理事務(wù)而日志拷貝是串行的，而備份數(shù)據(jù)庫處理日志記錄也是串行的。因此，F(xiàn)IFO隊(duì)列的溢出隨時(shí)可能發(fā)生。一旦發(fā)生，隊(duì)列必須重建，從而需要重新建立備份數(shù)據(jù)庫。此種方法對(duì)于一般客戶來講是不可行的。
b) 由于日志拷貝是異步的，主備數(shù)據(jù)庫不是實(shí)時(shí)一致，兩者之間存在“時(shí)間差”，因此如果用備份數(shù)據(jù)庫作負(fù)荷均衡，這樣的應(yīng)用存在邏輯上的漏洞，可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。
c) 由于主備數(shù)據(jù)存在時(shí)間差, 主數(shù)據(jù)庫一旦發(fā)生事故，理論上一定會(huì)丟失數(shù)據(jù)。在這種情況下，要么需要手工恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，這會(huì)消耗大量的人工成本，或者數(shù)據(jù)根本就不能恢復(fù)。
d) 對(duì)主機(jī)的性能影響，根據(jù)測(cè)試一般在15%到25%之間。
b.串行同步復(fù)制
此類集群往往是由昂貴的專用軟硬件構(gòu)成的，原理圖如下：
此類系統(tǒng)采用專用的高速網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)，將每個(gè)數(shù)據(jù)庫的請(qǐng)求，通過同步復(fù)制的方式，同步在主備兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上執(zhí)行正確后，才將結(jié)果返回給數(shù)據(jù)庫客戶。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是：
a) 主數(shù)據(jù)庫被強(qiáng)迫與備份數(shù)據(jù)庫同步串行處理，因此性能受到限制。
b) 主備數(shù)據(jù)庫中任意一個(gè)出現(xiàn)問題，都會(huì)迫使事務(wù)處理交易回滾，因此整個(gè)系統(tǒng)的可靠性比單機(jī)系統(tǒng)降低了一半。
c) 由于以上問題，這種備份方式只適用于近距離光纖網(wǎng)絡(luò)（5英里）。
d) 專用系統(tǒng)造價(jià)昂貴，又加上述明顯缺陷，因此市場(chǎng)上很少被采用。
2．基于共享存儲(chǔ)的雙機(jī)容錯(cuò)技術(shù)
從技術(shù)適應(yīng)性的角度講，雙機(jī)容錯(cuò)比較適合于無狀態(tài)應(yīng)用，或者狀態(tài)信息較少的應(yīng)用切換，以此達(dá)到應(yīng)用級(jí)的高可用性目的，其實(shí)并不適合于數(shù)據(jù)庫級(jí)的應(yīng)用切換。
此種結(jié)構(gòu)往往是兩個(gè)服務(wù)器共享一個(gè)磁盤陣列，這里兩個(gè)服務(wù)器共享一個(gè)虛擬的IP供數(shù)據(jù)庫客戶使用，形成一個(gè)單一的邏輯數(shù)據(jù)庫映象。此種所謂的數(shù)據(jù)庫集群的目的是，一旦主機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，備份系統(tǒng)通過心跳機(jī)制的檢測(cè)，完成從主機(jī)系統(tǒng)到備份系統(tǒng)的切換。這種方案在市場(chǎng)上被稱為“雙機(jī)集群”或者“雙機(jī)熱備”，簡稱參見“雙機(jī)”，但微軟稱之為“故障轉(zhuǎn)移集群”。它有下列特點(diǎn)：
a. 此種高可用性解決方案只是無狀態(tài)系統(tǒng)(典型的如Web服務(wù)器)的普通容錯(cuò)切換思想在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的應(yīng)用。
b. 此系統(tǒng)本身只有一個(gè)單一的數(shù)據(jù)映象，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在共享的磁盤陣?yán)希虼斯蚕淼拇疟P陣列成為了整個(gè)系統(tǒng)的單點(diǎn)錯(cuò)誤源。
c. 由于是單一數(shù)據(jù)映象，因此必須采用通常的復(fù)制或備份方法獲取第二份數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性。因此所有復(fù)制或備份方法的缺點(diǎn)，此類系統(tǒng)全部存在。
d. 主機(jī)系統(tǒng)和備份系統(tǒng)之間是沒有任何負(fù)載均衡關(guān)系的，在正常情況下，備份系統(tǒng)是閑置在那里，因此對(duì)用戶來說是一種投資浪費(fèi)。
e. 在錯(cuò)誤切換的時(shí)候，往往存在切換時(shí)間長，而且更嚴(yán)重的是可能會(huì)存在丟失用戶交易數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)被迫停止服務(wù)，或者需要人工修復(fù)數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)找不回來。
3．以O(shè)racle RAC為代表的系統(tǒng)
RAC的英文全稱是：Real Application Cluster(真正的應(yīng)用級(jí)集群)。我們需要關(guān)注的是“應(yīng)用級(jí)”。為了緩解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)日益增長的性能壓力，Oracle公司推出了RAC系統(tǒng)。它基本結(jié)構(gòu)如下：
此類系統(tǒng)，專門是針對(duì)數(shù)據(jù)庫性能問題而提出的。采用共享磁盤陣列的方式，因此在結(jié)構(gòu)上和上述雙機(jī)容錯(cuò)相似，不同的地方在于此系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)之間采用的不是簡單的心跳檢測(cè)，而是Oracle公司自己定義的一套復(fù)雜的信息交換協(xié)議，以此來動(dòng)態(tài)分配來自數(shù)據(jù)庫客戶端的請(qǐng)求。它的特點(diǎn)是：
a. 是個(gè)應(yīng)用級(jí)的集群，也就是針對(duì)Oracle的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(因?yàn)閿?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)于操作系統(tǒng)來講，就是一個(gè)“應(yīng)用程序”，因此被稱為“應(yīng)用級(jí)集群”)，專門為提高數(shù)據(jù)庫性能而設(shè)計(jì)。
b. 此系統(tǒng)本身只有一個(gè)單一的數(shù)據(jù)映象，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在共享的磁盤陣?yán)?，因此享的磁盤陣?yán)蔀榱苏麄€(gè)系統(tǒng)的單點(diǎn)錯(cuò)誤源。
c. 管理配置復(fù)雜。
d. 由于是單一數(shù)據(jù)映象，因此必須采用通常的復(fù)制或備份方法獲取第二份數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性。因此所有復(fù)制或備份方法的缺點(diǎn)，此類系統(tǒng)全部存在。
e. 由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身具有高I/O的特性，因此，RAC系統(tǒng)里，磁盤I/O是提高性能的關(guān)鍵地方。
f. 依據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，有的性能有所提升，有的性能可能會(huì)反而下降。
數(shù)據(jù)庫集群 同步的介紹就聊到這里吧，感謝你花時(shí)間閱讀本站內(nèi)容，更多關(guān)于數(shù)據(jù)庫集群 同步,數(shù)據(jù)庫集群同步技術(shù)原理簡析,數(shù)據(jù)庫集群的性質(zhì)的信息別忘了在本站進(jìn)行查找喔。
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