微信开源PhxSQL：高可用、强一致的MySQL集群

PhxSQL是一个兼容MySQL、服务高可用、数据强一致的关系型数据库集群。PhxSQL以单Master多Slave方式部署，在集群内超过一半机器存活的情况下，可自身实现自动Master切换，且保证数据一致性。

PhxSQL基于Percona 5.6开发。Percona是MySQL的一个分支，功能和实现与MySQL基本一致。因此本文后续直接把MySQL作为讨论对象。

MySQL半同步复制存在缺陷，在Master进行切换的场景下，数据难以保证一致。

• 当旧Master复制失败时，旧Master和Updated Slave(已收到Binlog的Slave)需要回滚数据。
• 当Master进行切换时，旧Master仍有部分Client进行读写。

关于MySQL半同步复制的数据一致性问题可查看微信后台团队公众号文章MySQL半同步复制的数据一致性探讨。

PhxSQL的设计是为了解决MySQL半同步复制的不足，使MySQL集群在Master切换过程中保证数据的一致。

PhxSQL架构   

图1 PhxSQL 三层架构

为了解决MySQL的两个问题(Binlog复制和Master切换)，PhxSQL设计了两个模块(Phxbinlogsvr、Phxsqlproxy)和一个MySQL插件(Phxsync)。Phxbinlogsvr负责处理MySQL的Binlog复制和Master管理;Phxsqlproxy负责透传Client请求到Master;Phxsync插件负责MySQL和Phxbinlogsvr的交互。 一台部署了Phxsqlproxy，MySQL和Phxbinlogsvr的机器称为PhxSQL Node。如图1。

PhxSQL复制流程   

图2.1 MySQL复制流程   

图2.2 PhxSQL复制流程

图2 MySQL和PhxSQL的数据复制流程

在PhxSQL中，Phxbinlogsvr负责管理MySQL的角色和存储MySQL的Binlog，Phxbinlogsvr和其管理的MySQL部署在同一台物理机上。

MySQL Master在Send Event阶段不再把Binlog复制给Slave，而是通过Phxsync插件，把数据复制到Phxbinlogsvr集群。

MySQL Slave也不再从Master获取Binlog，而是从本机的Phxbinlogsvr获取。

Phxbinlogsvr集群使用Paxos协议进行数据复制。

PhxSQL使用PhxPaxos库，详情请查看微信后台团队公众号文章微信自研生产级paxos类库PhxPaxos实现原理介绍。   

图3 Phxbinlogsvr形成一个可靠日志存储    

图4 重启向Phxbinlogsvr询问PendingBinlog状态

从逻辑上来看，利用Paxos协议进行复制，使Phxbinlogsvr形成一个可靠的日志存储。PhxSQL可以看成是为MySQL增加了一个用Paxos实现的可靠Binlog存储，只要集群中多数派机器存活，就可以解决半同步复制的回滚问题。如图3。

分别从Master和Slave的角度来解释：

Master重启时，通过询问Phxbinlogsvr(多数派)Pending Binlog是否存在来决定是否需要回滚。如图4。

Slave从本机Phxbinlogsvr能拉取到的Binlog都已经经过Paxos协议成功复制到多数派机器，因此对于Slave来说不存在回滚的问题。

Phxbinlogsvr通过Paxos协议复制数据，很好的解决了MySQL中需要手动回滚Binlog和在大集群时同时需要回滚Updated Slave上的Binlog的问题。

PhxSQL的Master管理 

图5 多个Master同时写入数据，导致数据不一致

MySQL多Master同时写入会导致数据的不一致。如图5，机器A是旧Master，在收到机器B成为了新Master的消息之前提交了Transaction 3;而同时机器B已成为新Master，Transaction 3则会留在机器A而未复制到机器B，最终两机的数据不一致。

MySQL多Master问题的产生，源于机器间无法得知当前Master的状态，***导致两台机器的数据不一致。

即使使用外部服务(例如zookeeper)也无法解根本问题。

1. 对Master查询和查询之后的操作不是原子操作，无法保证操作时的准确状态(例如机器A向外部服务查询得知自己是Master，然后执行复制Binlog操作。但期间出现故障导致两个操作之间停顿了很长时间(譬如1天)。在该期间内Master被切换，使得机器A在执行复制Binlog时，已不再是Master，导致了多Master的情况发生。)
2. Master管理依赖外部服务的稳定性。

多Master问题由于细节太多，暂不在此讨论。

PhxSQL自身进行了Master管理，具有以下特点：

1. Master通过Paxos协议投票选出。
2. Master带有租约，并定时续租。租约过期后，需重新选举新的Master。
3. 全局只有1个Master，或者没有Master存在。
4. 有效拒绝过期Master的非法写入。

PhxSQL的Master自动切换

PhxSQL实现了旧Master的自动数据回滚和Master管理，使得PhxSQL可以安全地实现Master的自动切换，提供高可用服务。和常见的MySQL切换Master方案不同，PhxSQL在切换Master之后仍然保证集群内各机数据一致。 

图6

PhxSQL自动Master流程如下：

1. Slave机器上的Phxbinlogsvr定期检查Master是否过期。如果过期转第2步，否则继续第1步;
2. Phxbinlogsvr检查本机MySQL是否已执行完所有Binlog。如果已完成转第3步，否则继续第1步;
3. Phxbinlogsvr发起投票选举新的Master。如果投票成功，提升本机MySQL为Master，关闭readonly开关;否则继续第1步;
4. 旧Master恢复，本机的Phxbinlogsvr查询发现已不是Master，切换MySQL角色为Slave，设置从本机Phxbinlogsvr拉取Binlog，并开启readonly开关。

Phxsqlproxy请求透传

Phxbinlogsvr解决了多Master同时写入的问题，使得MySQLClient向旧Master写入数据会产生失败。虽然保证了数据的一致性，但仍存在下面2个问题：

1. MySQLClient持续向旧Master写入数据，从而持续的失败。(服务不可用)
2. 部分MySQLClient向新Master写入数据，但其他MySQLClient仍然向旧Master读取数据，导致读不到***的数据。 

图7

上述两个问题都是由于MySQLClient的Master信息更新不及时;部分Client没有及时更新，使得有可能产生PhantomRead(两次读的结果不一致)。 

图8 Phxsqlproxy的请求透传

若Slave机器被访问，Phxsqlproxy则会把请求透传到Master机器的Phxsqlproxy。由于PhxSQL Master的全局唯一性，保证了只存在一台MySQL被访问。从而解决了多台机器同时被读写的问题。

PhxSQL性能

使用sysbench工具对PhxSQL和MySQL的半同步复制进行了性能对比。PhxSQL因为增加了Phxsqlproxy，导致读性能比原生MySQL略低;但由于PhxPaxos的实现比MySQL的半同步更加高效，让PhxSQL的写性能比半同步复制更好。

PhxSQL比MySQL读性能比原生MySQL略低，但写性能比MySQL半同步复制更好。

测试环境和结果如下：

机型信息

CPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2420 0 @ 1.90GHz * 24

内存 : 32G

磁盘 : SSD Raid10

网络互Ping耗时

Master -> Slave : 3 ~ 4ms

Client -> Master : 4ms

压测工具和参数

sysbench –oltp-tables-count=10 –oltp-table-size=1000000 –num-threads=500 –max-requests=100000 –report-interval=1 –max-time=200

压测内容

PhxSQL和半同步复制在Client线程200和500的环境下进行下面方式的压测：

• insert.lua (100%写)
• select.lua (0%写)
• OLTP.lua (20%写)

压测结果

Client线程数：200

Client线程数：500 

注：耗时分别为测试结果的平均耗时/95%分位数耗时，单位ms

总结

PhxSQL解决了MySQL半同步复制中数据回滚和多Master的问题，使其能实现自动Master切换且保证数据一致。PhxSQL因为增加了Phxsqlproxy，导致读性能比原生MySQL略低;但由于PhxPaxos的实现比MySQL的半同步更加高效，让PhxSQL的写性能比半同步复制更好。