应用中如何将单数据库升级为集群【数据库集群】【MySQL集群模式】

MySQL集群架构搭建以及多数据源管理实战

应用中如何将单数据库升级为集群
- 1、搭建MySQL集群，实现服务和数据的高可用
- - 1>搭建基础MySQL服务。
  - 2、启动MySQL服务
  - 3、连接MySQL
- 2>搭建MySQL主从集群
- - 1》配置master服务
  - 2》配置slave从服务
  - 3》主从集群测试
  - 4》全库同步与部分同步
  - 5》GTID同步集群
- 3>集群扩容与MySQL数据迁移
- 4>搭建半同步复制
- - 1》理解半同步复制
  - 2》搭建半同步复制集群
- 5>扩展： MySQL高可用方案
- - 1》MMM
  - 2》MHA
  - 3》MGR

转自《图灵课堂》

应用中如何将单数据库升级为集群

分库分表是一个很复杂的问题，因此在实际上手ShardingSphere这样的框架之前，我们其实有必要了解一下在实际开发中，我们如何将一个MySQL服务扩展成一个MySQL集群，这样，在后续面对ShardingSphere各种复杂的配置以及API时，才能弄明白到底在干些什么事情。

接下来会一步一步带你完成一个具有主从同步、读写分离这样典型数据库集群操作的应用，来理解一下简单的分库分表要怎么做。

1、搭建MySQL集群，实现服务和数据的高可用

1>搭建基础MySQL服务。

以下准备两台服务器，用来搭建一个MySQL的服务集群。两台服务器均安装CentOS7操作系统。MySQL版本采用mysql-8.0.20版本。

两台服务器的IP分别为192.168.232.128和192.168.232.129。其中128服务器规划为MySQL主节点，129服务器规划为MySQL的从节点。

接下来需要在两台服务器上分别安装MySQL服务。

MySQL是很基础的服务，但是在Linux上搭建经常会出现各种各样的环境问题。如果大家在Linux上搭建MySQL有困难的话，可以改为用Windows安装，或者用Docker也行。甚至你可以使用宝塔这样的运维面板来协助搭建MySQL服务。宝塔官网地址：https://www.bt.cn/new/index.html

MySQL的安装有很多种方式，具体可以参考官网手册：https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/binary-installation.html。我们这里采用对系统环境依赖最低，出问题的可能性最小的tar包方式来安装。

上传mysql压缩包到worker2机器的root用户工作目录/root下，然后按照下面的指令，解压安装mysql。

groupadd mysql
useradd -r -g mysql -s /bin/false mysql  #这里是创建一个mysql用户用于承载mysql服务，但是不需要登录权限。
tar -zxvf mysql-8.0.20-el7-x86_64.tar.gz #解压
ln -s mysql-8.0.20-el7-x86_64 mysql #建立软链接
cd mysql
mkdir mysql-files
chown mysql:mysql mysql-files
chmod 750 mysql-files
bin/mysqld --initialize --user=mysql #初始化mysql数据文件 注意点1
bin/mysql_ssl_rsa_setup
bin/mysqld_safe --user=mysql 

cp support-files/mysql.server /etc/init.d/mysql.server

注意点：

1、初始化过程中会初始化一些mysql的数据文件，经常会出现一些文件或者文件夹权限不足的问题。如果有文件权限不足的问题，需要根据他的报错信息，创建对应的文件或者文件夹，并配置对应的文件权限。

2、初始化过程如果正常完成，日志中会打印出一个root用户的默认密码。这个密码需要记录下来。

2020-12-10T06:05:28.948043Z 6 [Note] [MY-010454] [Server] A temporary password is generated for root@localhost: P6kigsT6Lg>=

2、启动MySQL服务

bin/mysqld --user=mysql &

1、这个启动过程会独占当前命令行窗口，如果要后台执行可以在后面添加一个 &。但是一般第一次启动mysql服务时，经常会出现一些错误，所以建议用独占窗口的模式跟踪下日志。

3、连接MySQL

MySQL服务启动完成后，默认是只能从本机登录，远程是无法访问的。所以需要用root用户登录下，配置远程访问的权限。

cd /root/mysql
bin/mysql -uroot -p #然后用之前记录的默认密码登录

2>搭建MySQL主从集群

既然要解决MySQL数据库的分布式集群化问题，那就不能不先了解MySQL自身提供的主从同步原理。这是构建MySQL集群的基础，也是后续进行分库分表的基础，更是MySQL进行生产环境部署的基础。

其实数据库的主从同步，就是为了要保证多个数据库之间的数据保持一致。最简单的方式就是使用数据库的导入导出工具，定时将主库的数据导出，再导入到从库当中。这是一种很常见，也很简单易行的数据库集群方式。也有很多的工具帮助我们来做这些事情。但是这种方式进行数据同步的实时性比较差。

而如果要保证数据能够实时同步，对于MySQL，通常就要用到他自身提供的一套通过Binlog日志在多个MySQL服务之间进行同步的集群方案。基于这种集群方案，一方面可以提高数据的安全性，另外也可以以此为基础，提供读写分离、故障转移等其他高级的功能。

即在主库上打开Binlog日志，记录对数据的每一步操作。然后在从库上打开RelayLog日志，用来记录跟主库一样的Binlog日志，并将RelayLog中的操作日志在自己数据库中进行重演。这样就能够更加实时的保证主库与从库的数据一致。

MySQL的Binlog默认是不打开的。

他的实现过程是在从库上启动一系列IO线程，负责与主库建立TCP连接，请求主库在写入Binlog日志时，也往从库传输一份。这时，主库上会有一个IO Dump线程，负责将Binlog日志通过这些TCP连接传输给从库的IO线程。而从库为了保证日志接收的稳定性，并不会立即重演Binlog数据操作，而是先将接收到的Binlog日志写入到自己的RelayLog日志当中。然后再异步的重演RelayLog中的数据操作。

MySQL的BinLog日志能够比较实时的记录主库上的所有操作，因此他也被很多其他工具用来实时监控MySQL的数据变化。例如Canal框架，可以模拟一个slave节点，同步MySQL的Binlog，然后将具体的数据操作按照定制的逻辑进行转发。例如转发到Redis实现缓存一致，转发到Kafka实现数据实时流转等。甚至像ClickHouse，还支持将自己模拟成一个MySQL的从节点，接收MySQL的Binlog日志，实时同步MySQL的数据。

接下来我们就在这两个MySQL服务的基础上，搭建一个主从集群。

1》配置master服务

首先，配置主节点的mysql配置文件： /etc/my.cnf(没有的话就手动创建一个)

这一步需要对master进行配置，主要是需要打开binlog日志，以及指定severId。我们打开MySQL主服务的my.cnf文件，在文件中一行server-id以及一个关闭域名解析的配置。然后重启服务。

[mysqld]
server-id=47
#开启binlog
log_bin=master-bin
log_bin-index=master-bin.index
skip-name-resolve
# 设置连接端口
port=3306
# 设置mysql的安装目录
basedir=/usr/local/mysql
# 设置mysql数据库的数据的存放目录
datadir=/usr/local/mysql/mysql-files
# 允许最大连接数
max_connections=200
# 允许连接失败的次数。
max_connect_errors=10
# 服务端使用的字符集默认为UTF8
character-set-server=utf8
# 创建新表时将使用的默认存储引擎
default-storage-engine=INNODB
# 默认使用“mysql_native_password”插件认证
#mysql_native_password
default_authentication_plugin=mysql_native_password

配置说明：主要需要修改的是以下几个属性：

server-id：服务节点的唯一标识。需要给集群中的每个服务分配一个单独的ID。

log_bin：打开Binlog日志记录，并指定文件名。

log_bin-index：Binlog日志文件

重启MySQL服务， service mysqld restart

然后，我们需要给root用户分配一个replication slave的权限。

#登录主数据库
mysql -u root -p
GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'root'@'%';
flush privileges;
#查看主节点同步状态：
show master status;

在这里插入图片描述
开启binlog后，数据库中的所有操作都会被记录到datadir当中，以一组轮询文件的方式循环记录。而指令查到的File和Position就是当前日志的文件和位置。而在后面配置从服务时，就需要通过这个File和Position通知从服务从哪个地方开始记录binLog。

2》配置slave从服务

下一步，我们来配置从服务mysqls。我们打开mysqls的配置文件my.cnf，修改配置文件：

[mysqld]
#主库和从库需要不一致
server-id=48
#打开MySQL中继日志
relay-log-index=slave-relay-bin.index
relay-log=slave-relay-bin
#打开从服务二进制日志
log-bin=mysql-bin
#使得更新的数据写进二进制日志中
log-slave-updates=1
# 设置3306端口
port=3306
# 设置mysql的安装目录
basedir=/usr/local/mysql
# 设置mysql数据库的数据的存放目录
datadir=/usr/local/mysql/mysql-files
# 允许最大连接数
max_connections=200
# 允许连接失败的次数。
max_connect_errors=10
# 服务端使用的字符集默认为UTF8
character-set-server=utf8
# 创建新表时将使用的默认存储引擎
default-storage-engine=INNODB
# 默认使用“mysql_native_password”插件认证
#mysql_native_password
default_authentication_plugin=mysql_native_password

配置说明：主要需要关注的几个属性：

server-id：服务节点的唯一标识

relay-log：打开从服务的relay-log日志。

log-bin：打开从服务的bin-log日志记录。

然后我们启动mysqls的服务，并设置他的主节点同步状态。

#登录从服务
mysql -u root -p;
#设置同步主节点：
CHANGE MASTER TO
MASTER_HOST='192.168.232.128',
MASTER_PORT=3306,
MASTER_USER='root',
MASTER_PASSWORD='root',
MASTER_LOG_FILE='master-bin.000004',
MASTER_LOG_POS=156,
GET_MASTER_PUBLIC_KEY=1;
#开启slave
start slave;
#查看主从同步状态
show slave status;
或者用 show slave status \G; 这样查看比较简洁

注意，CHANGE MASTER指令中需要指定的MASTER_LOG_FILE和MASTER_LOG_POS必须与主服务中查到的保持一致。

并且后续如果要检查主从架构是否成功，也可以通过检查主服务与从服务之间的File和Position这两个属性是否一致来确定。
在这里插入图片描述

3》主从集群测试

测试时，我们先用showdatabases，查看下两个MySQL服务中的数据库情况
然后我们在主服务器上创建一个数据库

mysql> create database syncdemo;
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

然后我们再用show databases，来看下这个syncdemo的数据库是不是已经同步到了从服务。
在这里插入图片描述

4》全库同步与部分同步

在这里插入图片描述

5》GTID同步集群

在这里插入图片描述

3>集群扩容与MySQL数据迁移

在这里插入图片描述

4>搭建半同步复制

1》理解半同步复制

到现在为止，我们已经可以搭建MySQL的主从集群，互主集群，但是我们这个集群有一个隐患，就是有可能会丢数据。这是为什么呢？这要从MySQL主从数据复制分析起。

MySQL主从集群默认采用的是一种异步复制的机制。主服务在执行用户提交的事务后，写入binlog日志，然后就给客户端返回一个成功的响应了。而binlog会由一个dump线程异步发送给Slave从服务。
在这里插入图片描述
== 由于这个发送binlog的过程是异步的。主服务在向客户端反馈执行结果时，是不知道binlog是否同步成功了的。这时候如果主服务宕机了，而从服务还没有备份到新执行的binlog，那就有可能会丢数据。==

那怎么解决这个问题呢，这就要靠MySQL的半同步复制机制来保证数据安全。

半同步复制机制是一种介于异步复制和全同步复制之前的机制。主库在执行完客户端提交的事务后，并不是立即返回客户端响应，而是等待至少一个从库接收并写到relay log中，才会返回给客户端。MySQL在等待确认时，默认会等10秒，如果超过10秒没有收到ack，就会降级成为异步复制。

在这里插入图片描述
这种半同步复制相比异步复制，能够有效的提高数据的安全性。但是这种安全性也不是绝对的，他只保证事务提交后的binlog至少传输到了一个从库，并且并不保证从库应用这个事务的binlog是成功的。另一方面，半同步复制机制也会造成一定程度的延迟，这个延迟时间最少是一个TCP/IP请求往返的时间。整个服务的性能是会有所下降的。而当从服务出现问题时，主服务需要等待的时间就会更长，要等到从服务的服务恢复或者请求超时才能给用户响应。

2》搭建半同步复制集群

半同步复制需要基于特定的扩展模块来实现。而mysql从5.5版本开始，往上的版本都默认自带了这个模块。这个模块包含在mysql安装目录下的lib/plugin目录下的semisync_master.so和semisync_slave.so两个文件中。需要在主服务上安装semisync_master模块，在从服务上安装semisync_slave模块。
在这里插入图片描述
首先我们登陆主服务，安装semisync_master模块：

mysql> install plugin rpl_semi_sync_master soname 'semisync_master.so';
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> show global variables like 'rpl_semi%';
+-------------------------------------------+------------+
| Variable_name                             | Value      |
+-------------------------------------------+------------+
| rpl_semi_sync_master_enabled              | OFF        |
| rpl_semi_sync_master_timeout              | 10000      |
| rpl_semi_sync_master_trace_level          | 32         |
| rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_count | 1          |
| rpl_semi_sync_master_wait_no_slave        | ON         |
| rpl_semi_sync_master_wait_point           | AFTER_SYNC |
+-------------------------------------------+------------+
6 rows in set, 1 warning (0.02 sec)

mysql> set global rpl_semi_sync_master_enabled=ON;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

这三行指令中，第一行是通过扩展库来安装半同步复制模块，需要指定扩展库的文件名。

第二行查看系统全局参数，rpl_semi_sync_master_timeout就是半同步复制时等待应答的最长等待时间，默认是10秒，可以根据情况自行调整。

第三行则是打开半同步复制的开关。

在第二行查看系统参数时，最后的一个参数rpl_semi_sync_master_wait_point其实表示一种半同步复制的方式。

半同步复制有两种方式，一种是我们现在看到的这种默认的AFTER_SYNC方式。这种方式下，主库把日志写入binlog，并且复制给从库，然后开始等待从库的响应。从库返回成功后，主库再提交事务，接着给客户端返回一个成功响应。

而另一种方式是叫做AFTER_COMMIT方式。他不是默认的。这种方式，在主库写入binlog后，等待binlog复制到从库，主库就提交自己的本地事务，再等待从库返回给自己一个成功响应，然后主库再给客户端返回响应。

然后我们登陆从服务，安装smeisync_slave模块

mysql> install plugin rpl_semi_sync_slave soname 'semisync_slave.so';
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> show global variables like 'rpl_semi%';
+---------------------------------+-------+
| Variable_name                   | Value |
+---------------------------------+-------+
| rpl_semi_sync_slave_enabled     | OFF   |
| rpl_semi_sync_slave_trace_level | 32    |
+---------------------------------+-------+
2 rows in set, 1 warning (0.01 sec)

mysql> set global rpl_semi_sync_slave_enabled = on;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> show global variables like 'rpl_semi%';
+---------------------------------+-------+
| Variable_name                   | Value |
+---------------------------------+-------+
| rpl_semi_sync_slave_enabled     | ON    |
| rpl_semi_sync_slave_trace_level | 32    |
+---------------------------------+-------+
2 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

mysql> stop slave;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> start slave;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

slave端的安装过程基本差不多，不过要注意下安装完slave端的半同步插件后，需要重启下slave服务。

我们要注意，目前我们的这个MySQL主从集群是单向的，也就是只能从主服务同步到从服务，而从服务的数据表更是无法同步到主服务的。

在这里插入图片描述
所以，在这种架构下，为了保证数据一致，通常会需要保证数据只在主服务上写，而从服务只进行数据读取。这个功能，就是大名鼎鼎的读写分离。但是这里要注意下，mysql主从本身是无法提供读写分离的服务的，需要由业务自己来实现。这也是我们后面要学的ShardingSphere的一个重要功能。

到这里可以看到，在MySQL主从架构中，是需要严格限制从服务的数据写入的，一旦从服务有数据写入，就会造成数据不一致。并且从服务在执行事务期间还很容易造成数据同步失败。

如果需要限制用户写数据，我们可以在从服务中将read_only参数的值设为1( set global read_only=1; )。这样就可以限制用户写入数据。但是这个属性有两个需要注意的地方：

1、read_only=1设置的只读模式，不会影响slave同步复制的功能。所以在MySQL slave库中设定了read_only=1后，通过 “show slave status\G” 命令查看salve状态，可以看到salve仍然会读取master上的日志，并且在slave库中应用日志，保证主从数据库同步一致；

2、read_only=1设置的只读模式，限定的是普通用户进行数据修改的操作，但不会限定具有super权限的用户的数据修改操作。在MySQL中设置read_only=1后，普通的应用用户进行insert、update、delete等会产生数据变化的DML操作时，都会报出数据库处于只读模式不能发生数据变化的错误，但具有super权限的用户，例如在本地或远程通过root用户登录到数据库，还是可以进行数据变化的DML操作；如果需要限定super权限的用户写数据，可以设置super_read_only=0。另外如果要想连super权限用户的写操作也禁止，就使用"flush tables with read lock;"，这样设置也会阻止主从同步复制！

5>扩展： MySQL高可用方案

我们之前的MySQL服务集群，都是使用MySQL自身的功能来搭建的集群。但是这样的集群，不具备高可用的功能。即如果是MySQL主服务挂了，从服务是没办法自动切换成主服务的。而如果要实现MySQL的高可用，需要借助一些第三方工具来实现。

这一部分方案只需要了解即可，因为一方面，这些高可用方案通常都是运维需要考虑的事情，作为开发人员没有必要花费太多的时间精力，偶尔需要用到的时候能够用起来就够了。另一方面，随着业界技术的不断推进，也会冒出更多的新方案。例如ShardingSphere的5.x版本的目标实际上就是将ShardingSphere由一个数据库中间件升级成一个独立的数据库平台，而将MySQL、PostGreSql甚至是RocksDB这些组件作为数据库的后端支撑。等到新版本成熟时，又会冒出更多新的高可用方案。

常见的MySQL集群方案有三种: MMM、MHA、MGR。这三种高可用框架都有一些共同点：

对主从复制集群中的Master节点进行监控
自动的对Master进行迁移，通过VIP。
重新配置集群中的其它slave对新的Master进行同步

1》MMM

MMM(Master-Master replication managerfor Mysql，Mysql主主复制管理器)是一套由Perl语言实现的脚本程序，可以对mysql集群进行监控和故障迁移。他需要两个Master，同一时间只有一个Master对外提供服务，可以说是主备模式。
在这里插入图片描述