文章作者：携程技术团队
编辑整理：Hoh
内容来源：《携程架构实践》
出品平台：DataFunTalk
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导读：飞机有两个发动机，用于实现高可用。如果一个发动机出现故障，另一个发动机还能够持续工作，数据库运维也是如此。我们需要多个副本，一旦某个节点发生故障，另外一个节点可以继续提供服务。我们还需要考虑到机房发生故障的场景，需要有快速切换到异地容灾机房的能力。
我们推荐使用数据库三副本，一主一从一异地容灾。如果想要节省成本，也可以只保留两副本，但是一旦其中一台服务器发生故障，服务器维修时间会比较长，那么在维修期间，数据库服务会处于单点状态，使得风险急剧上升。
本文主要介绍以下内容：
SQL Server 高可用
MySQL 高可用
Redis 高可用
01SQL Server 高可用
携程的 SQL Server 高可用架构经过了多次演进。最初使用的是镜像技术，如果服务器出现故障，在切换时，需要人工进行干预以切换到镜像节点。同时镜像节点不提供读服务，可扩展性比较差。后来引入了 SAN 存储，将计算和存储进行分离，可以实现自动切换，但 SAN 存储技术过于复杂，并且价格昂贵。2013年，我们开始将其逐步改造为 AlwaysOn 架构，这是 SQL Server 2012 以后的版本所具有的功能。
图1显示了三副本的 SQL Server 数据库服务架构。主副本提供读写访问；一个辅助副本是同步模式，即和主副本数据保持一致；另一个辅助副本是异步模式，存放在异地机房。同步模式可以保证主从数据一致，在切换时不会丢失数据。但同步节点的性能可能会对主副本造成影响，每一个事务都需要在同步节点确认后，才算完成。所以，将同步节点和主节点放在同一网段内，可以减少网络开销，提升整体的响应速度。
SQL Server 可以在主副本服务器发生故障时，自动切换到同步节点。在切换期间，数据库不可用，所以通常在1分钟之内完成。而切换到异步节点是手动触发的，因为是异步模式，可能会丢失数据，所以尽量不切换到异步节点。
SQL Server 高可用在很大程度上依赖于底层操作系统。因为 AlwaysOn 架构依赖底层的 Windows 群集服务。一个 Windows 群集可以有多套 AlwaysOn 组。Windows 群集服务可以这样设计：
尽量增加群集节点数量，一般保持在9个以上的奇数节点，避免一台或两台服务器故障导致整个群集不可用；
因为群集节点多，所以增加 regroup 的超时时间，避免重组超时导致整个群集异常；
增加文件共享仲裁，文件共享可以存放在第三机房，避免机房故障导致群集失去多数仲裁，同时在失去多数仲裁时，可以使用 ForceQuorum 模式强制启动 Windows 群集服务，尽快恢复业务。
图1 三副本的 SQL Server 数据库服务架构
使用 AlwaysOn 架构可以极大减轻主节点的负载。数据库的全量备份或日志备份可以调整到异步节点上进行，无须担心数据库备份会对业务造成性能影响。我们会比较关注 AlwaysOn 的主从延迟，并采用插值法进行监控，对每一个业务数据库设计了一张监控表，定期插入时间戳。在经过 AlwaysOn 传递到辅助副本后，我们把时间戳取出来，和当前时间进行比较，就能精确地获得延迟时间。延迟通常是只读副本上的查询语句 IO 开销大导致的。根据延迟时间，以及前文提到的全量语句性能数据采集，我们可以定位导致延迟的异常语句。
02MySQL 高可用
相对于成熟的商业数据库软件，开源版本的 MySQL 高可用方案更多地需要使用者自己进行设计和研发，好在 MySQL 本身已经为我们提供了一些必要的功能：MySQL 复制技术。MySQL 复制技术包含传统的基于日志传输的复制技术，以及在 MySQL 5.7 之后的版本引入的组复制技术。在携程，大部分 MySQL 集群采用传统的基于日志传输的复制技术。携程的 MySQL 高可用架构经历了3个阶段的演进。
第一阶段：采用传统的 MHA 管理方式，架构如图2所示。
图2 传统的 MHA 架构
从本质上来说，MHA 是一个管理 MySQL 主从复制架构的工具集。我们可以通过其官方网站下载最新的版本。应用可以通过虚拟 IP 地址10.10.10.59进行访问，虚拟 IP 地址挂载在主节点上。MHA 管理节点会每隔10秒探测并连接主机，如果连续3次连接不上，则判定主机故障，触发切换。在发生切换时，MHA 会结合半同步复制，补全未同步的日志，这种切换可以保证数据完整。另外，切换会尝试连接旧主机，把挂载在主节点上的虚拟 IP 地址删除，然后在 Slave 节点重新挂载虚拟 IP 地址，完成切换。
传统的 MHA 架构比较成熟，使用广泛，但存在风险。如果由于交换机故障，MHA 管理节点连接不上主机，但主机本身运行正常，MHA 管理工具无法判断是网络故障还是服务器故障，就会进行切换，并且把虚拟 IP 地址挂载到 Slave 节点，但 MHA 管理节点连接不上旧主机，无法删除虚拟 IP 地址。此时两个节点都有虚拟 IP 地址存在，数据会发生"双写"，也就是发生"脑裂"。这种情况很少发生，但一旦发生，就难以处理，起因就在于虚拟 IP 地址。解决的方法是把虚拟 IP 地址删除，使用物理 IP 地址进行直连。这就需要使用数据库访问 DAL 模块和统一配置中心。在切换时，需要通知应用程序 IP 地址发生变化，并对所有的连接进行重置。
第二阶段：使用 IP 直连，如图3所示。
图3 IP 直连
初始的时候，应用程序使用物理 IP 地址10.10.10.141访问数据库。MHA 管理节点探测到主节点发生了故障，预备切换到10.10.10.142，并将 IP 地址变化通知统一配置中心 QConfig。统一配置中心在收到这个变化后，会把这个变化推送到应用服务器的数据库访问中间件 DAL。DAL 会重置对数据库的连接，使用新的 IP 地址10.10.10.142。此处的统一配置中心要确保高可用，即使机房发生故障，也不能影响统一配置中心的正常运转。
经过改造，我们去除了数据"双写"的隐患。但在极端场景下，还是会存在风险。如果机房整体发生故障，MHA 管理节点和主机/从机同时无法运行了，MHA 就无法自动切换到 DR 节点。这是由于 MHA 单管理节点本身成了系统瓶颈，解决的方法是引入多 MHA 管理节点进行协同管理。
第三阶段：引入多 MHA 管理节点，如图4所示。
图4 IP 直连 + 多 MHA 管理节点
应用使用物理 IP 地址10.10.10.141访问数据库。每一个数据库实例都由5个 MHA 管理节点进行同时监听。这5个 MHA 管理节点分布在3个机房。一旦某个 MHA 管理节点探测到主机发生了异常，则标记为 SDOWN。但一个 MHA 管理节点无法决定主机是否真的发生了故障，该 MHA 管理节点需要发起协商流程，和其他4个 MHA 管理节点一同判断，如果多数 MHA 管理节点认为发生了故障，则标记为 ODOWN，也就是确定主机真的发生了故障。MHA 会检测并决定可以成为备选主节点的节点，并由5个 MHA 管理节点再次协商，推选一个管理节点，用来向统一配置中心 QConfig 汇报 IP 地址变化。如果机房发生故障，并且另一个节点10.10.10.142不可用，则可选择主节点为20.20.20.161。统一配置中心会把这个变化推送到 DAL 组件，并重置连接，使用新的 IP 地址。
五节点模式的 MHA 管理是稳定的。其中一个管理节点处于第三机房，能抵御单机房故障。MHA 管理节点之间的协商比较复杂，我们可以借助成熟的 Redis 哨兵管理机制，在 Redis 哨兵管理机制上进行改造，适配对 MySQL 的监控。
03Redis 高可用架构
Redis 的高可用架构有两种通用的做法：一种是基于复制的主从模型，另一种是群集模型。携程使用的是第一种模型，即主从复制，其运行机制如图5所示。
图5 Redis 运行机制
Redis 的元数据被存放在 ConfigDB 中。元数据包括 Redis 实例的状态信息，以及对应的 IP 地址和端口信息等。前端可以通过页面对元数据进行调整，如设置某个实例不可用或不可读等。服务是通过 Config Service 实现的。服务会从 ConfigDB 中拉取配置，应用会定期调用 Config Service 服务，获得实例元数据信息，实现对 Redis 群集的实际访问。
我们通过一致性哈希算法对 Redis 进行分片。每一个分片都被称为组。在每一个组中，有读写实例和只读实例，它们会通过复制关系来传递数据。在部署时，我们尽量把实例分散到不同的服务器上。一旦服务器发生故障，则只会影响部分分片，不会严重影响后端数据库。我们应当尽量控制 Redis 缓存的每一个实例为 10GB 左右。如果超过 10GB，则可能需要确定是否可以进行拆分。若需要重新进行分组，则多拆分出几个组。
Redis 由哨兵来监控 Redis 实例的运行状态。我们启用了5个哨兵来同时监听。哨兵的主要功能为：
监控所有实例是否在正常运行；
当 Slave 出现故障时，通过消息通知机制把该 Slave 拉出，并将其设置为不可用，同时把 Master 设置为可读、可写；
当 Master 出现故障时，通过自动投票机制从 Slave 节点中选举新的 Master，实现 Redis 的自动切换。
哨兵实际上是一个运行在特殊模式下的 Redis 服务，我们可以通过在启动命令参数中指定 sentinel 选项，来标识该 Redis 服务是哨兵。每一个哨兵会向其他哨兵，即 Master 和 Slave 定时发送消息，以确认对方是否正常运行，如果发现对方在指定时间内未回应，则暂时认为对方主观挂机 ( Subjective Down，简称 SDOWN )。如果哨兵群中的多数哨兵都报告某个 Master 没响应，系统就会认为该 Master 客观挂机 ( Objective Down，简称 ODOWN )。
通过 Redis 的运行机制可以看出，Config Service 的状态信息需要和 Redis 实例的实际状态信息保持一致，否则在访问应用时会发生异常，比如，当只读实例发生故障，在重新向 Master 节点全量同步数据期间，如果该实例还是配置可读，在访问应用时就会报错。当有故障发生时，Redis 需要具备快速自动恢复的能力，减少人工干预。我们应当尽量从哨兵处获得信息，如果超过半数的哨兵发生故障，则直连 Redis 实例来获得物理状态。
对于 Redis 异地机房容灾而言，我们需要考虑跨机房全量同步为网络带来的开销，以及可能存在的网络不稳定因素。因此，我们采用了一个中间层，即 Keeper 来对数据进行缓冲。在本质上，Keeper 是伪 Slave，即实现 Redis 协议，伪装成 Slave，让 Master 推送数据到 Keeper 中。受限于篇幅，对于 Redis 异地机房容灾及切换，这里就不介绍了，谢谢大家。
以上内容选自携程技术团队新作《携程架构实践》
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