Windows服务器mysql高可用方案
作者介绍：王松磊，现任职于 UCloud，从事 MySQL 数据库内核研发工作，主要负责 UCloud 云数据库 udb 的内核故障排查工作以及数据库新特性的研发工作。
1 概述
我们在考虑 MySQL 数据库的高可用架构时，主要考虑如下几方面：
关于对高可用的分级我们暂不做详细的讨论，这里只讨论常用高可用方案的优缺点以及选型。
2 高可用方案
2.1 主从或主主半同步复制
使用双节点数据库，搭建单向或者双向的半同步复制。在 5.7 以后的版本中，由于 lossless replication、logical 多线程复制等一些列新特性的引入，使得 MySQL 原生半同步复制更加可靠。常见架构如下：
通常会和 Proxy、Keepalived 等第三方软件同时使用，即可以用来监控数据库的健康，又可以执行一系列管理命令。如果主库发生故障，切换到备库后仍然可以继续使用数据库。
优点：
- 架构比较简单，使用原生半同步复制作为数据同步的依据；
- 双节点，没有主机宕机后的选主问题，直接切换即可；
- 双节点，需求资源少，部署简单。
缺点：
- 完全依赖于半同步复制，如果半同步复制退化为异步复制，数据一致性无法得到保证；
- 需要额外考虑 HAProxy、Keepalived 的高可用机制。
2.2 半同步复制优化
半同步复制机制是可靠的。如果半同步复制一直是生效的，那么可以认为数据是一致的。但是由于网络波动等一些客观原因，导致半同步复制发生超时而切换为异步复制，这时便不能保证数据的一致性。所以尽可能的保证半同步复制，就可以提高数据的一致性。
该方案同样使用双节点架构，但是在原有半同复制的基础上做了功能上的优化，使半同步复制的机制变得更加可靠。可参考的优化方案如下：
半同步复制由于发生超时后，复制断开，当再次建立起复制时，同时建立两条通道，其中一条半同步复制通道从当前位置开始复制，保证从机知道当前主机执行的进度。另外一条异步复制通道开始追补从机落后的数据。当异步复制通道追赶到半同步复制的起始位置时，恢复半同步复制。
搭建两条半同步复制通道，其中连接文件服务器的半同步通道正常情况下不启用，当主从的半同步复制发生网络问题退化后，启动与文件服务器的半同步复制通道。当主从半同步复制恢复后，关闭与文件服务器的半同步复制通道。
优点：
- 双节点，需求资源少，部署简单；
- 架构简单，没有选主的问题，直接切换即可；
- 相比于原生复制，优化后的半同步复制更能保证数据的一致性。
缺点：
- 需要修改内核源码或者使用MySQL通信协议。需要对源码有一定的了解，并能做一定程度的二次开发；
- 依旧依赖于半同步复制，没有从根本上解决数据一致性问题。
2.3 高可用架构优化
将双节点数据库扩展到多节点数据库，或者多节点数据库集群。可以根据自己的需要选择一主两从、一主多从或者多主多从的集群。
由于半同步复制，存在接收到一个从机的成功应答即认为半同步复制成功的特性，所以多从半同步复制的可靠性要优于单从半同步复制的可靠性。并且多节点同时宕机的几率也要小于单节点宕机的几率，所以多节点架构在一定程度上可以认为高可用性是好于双节点架构。
但由于数据库数量较多，所以需要数据库管理软件来保证数据库的可维护性。可以选择 MMM、MHA 或者各个版本的 Proxy 等等。常见方案如下：
MHA Manager 会定时探测集群中的 master 节点，当 master 出现故障时，它可以自动将最新数据的 slave 提升为新的 master，然后将所有其他的 slave 重新指向新的 master，整个故障转移过程对应用程序完全透明。
MHA Node 运行在每台 MySQL 服务器上，主要作用是切换时处理二进制日志，确保切换尽量少丢数据。MHA 也可以扩展到如下的多节点集群：
优点：
- 可以进行故障的自动检测和转移；
- 可扩展性较好，可以根据需要扩展 MySQL 的节点数量和结构；
- 相比于双节点的 MySQL 复制，三节点/多节点的 MySQL 发生不可用的概率更低。
缺点：
- 至少需要三节点，相对于双节点需要更多的资源；
- 逻辑较为复杂，发生故障后排查问题，定位问题更加困难；
- 数据一致性仍然靠原生半同步复制保证，仍然存在数据不一致的风险；
- 可能因为网络分区发生脑裂现象。
ZooKeeper 使用分布式算法保证集群数据的一致性，使用 ZooKeeper 可以有效的保证 Proxy 的高可用性，可以较好地避免网络分区现象的产生。
优点：
- 较好的保证了整个系统的高可用性，包括 Proxy、MySQL；
- 扩展性较好，可以扩展为大规模集群。
缺点：
- 数据一致性仍然依赖于原生的 MySQL 半同步复制；
- 引入 ZK，整个系统的逻辑变得更加复杂。
2.4 共享存储
共享存储实现了数据库服务器和存储设备的解耦，不同数据库之间的数据同步不再依赖于 MySQL 的原生复制功能，而是通过磁盘数据同步的手段，来保证数据的一致性。
SAN 的概念是允许存储设备和处理器（服务器）之间建立直接的高速网络（与 LAN 相比）连接，通过这种连接实现数据的集中式存储。常用架构如下：
使用共享存储时，MySQL 服务器能够正常挂载文件系统并操作，如果主库发生宕机，备库可以挂载相同的文件系统，保证主库和备库使用相同的数据。
优点：
- 两节点即可，部署简单，切换逻辑简单；
- 很好的保证数据的强一致性；
- 不会因为 MySQL 的逻辑错误发生数据不一致的情况。
缺点：
- 需要考虑共享存储的高可用；
- 价格昂贵。
DRBD 是一种基于软件、基于网络的块复制存储解决方案，主要用于对服务器之间的磁盘、分区、逻辑卷等进行数据镜像，当用户将数据写入本地磁盘时，还会将数据发送到网络中另一台主机的磁盘上，这样的本地主机（主节点）与远程主机（备节点）的数据就可以保证实时同步。常用架构如下：
当本地主机出现问题，远程主机上还保留着一份相同的数据，可以继续使用，保证了数据的安全。
DRBD 是 Linux 内核模块实现的快级别的同步复制技术，可以与 SAN 达到相同的共享存储效果。
优点：
- 两节点即可，部署简单，切换逻辑简单；
- 相比于 SAN 储存网络，价格低廉；
- 保证数据的强一致性。
缺点：
- 对 IO 性能影响较大；
- 从库不提供读操作。
2.5 分布式协议
分布式协议可以很好地解决数据一致性问题。比较常见的方案如下：
MySQL Cluster 是官方集群的部署方案，通过使用 NDB 存储引擎实时备份冗余数据，实现数据库的高可用性和数据一致性。
优点：
- 全部使用官方组件，不依赖于第三方软件；
- 可以实现数据的强一致性。
缺点：
- 国内使用的较少；
- 配置较复杂，需要使用 NDB 储存引擎，与 MySQL 常规引擎存在一定差异；
- 至少三节点。
基于 Galera 的 MySQL 高可用集群， 是多主数据同步的 MySQL 集群解决方案，使用简单，没有单点故障，可用性高。常见架构如下：
优点：
- 多主写入，无延迟复制，能保证数据强一致性；
- 有成熟的社区，有互联网公司在大规模的使用；
- 自动故障转移，自动添加、剔除节点。
缺点：
- 需要为原生 MySQL 节点打 wsrep 补丁；
- 只支持 InnoDB 储存引擎；
- 至少三节点。
Paxos 算法解决的问题是一个分布式系统如何就某个值（决议）达成一致。这个算法被认为是同类算法中最有效的。Paxos 与 MySQL 相结合可以实现在分布式的 MySQL 数据的强一致性。常见架构如下：
优点：
- 多主写入，无延迟复制，能保证数据强一致性；
- 有成熟理论基础；
- 自动故障转移，自动添加、剔除节点。
缺点：
- 只支持 InnoDB 储存引擎；
- 至少三节点。
3 总结
随着人们对数据一致性要求不断的提高，越来越多的方法被尝试用来解决分布式数据一致性的问题，如 MySQL 自身的优化、MySQL 集群架构的优化、Paxos、Raft、2PC 算法的引入等。
而使用分布式算法用来解决 MySQL 数据库数据一致性问题的方法，也越来越被人们所接受，一系列成熟的产品如 PhxSQL、MariaDB Galera Cluster、Percona XtraDB Cluster 等越来越多的被大规模使用。
随着官方 MySQL Group Replication 的 GA，使用分布式协议来解决数据一致性问题已经成为了主流的方向。期望越来越多优秀的解决方案被提出，MySQL 高可用问题也可以被更好的解决。