Как устроена MySQL-репликация

Андрей Аксенов (Sphinx), shodan

Мой доклад предназначен для тех людей, которые знают слово «репликация», даже знают, что в MySQL она есть, и, возможно, один раз ее настроили, 15 минут потратили и забыли. Больше про нее они не знают ничего.

Мы немного пройдемся по теории, попытаемся объяснить, как это все работает внутри, а после этого вы с утроенными силами сможете сами нырнуть в документацию.

Что такое репликация, в принципе? Это копирование изменений. У нас есть одна копия БД, мы хотим с какой-то целью еще одну копию.

Репликация бывает разных видов. Разные оси сравнения:

• степень синхронизации изменений (sync, async, semisync);
• количество серверов записи (M/S, M/M);
• формат изменений (statement-based (SBR), row-based (RBR), mixed);
• теоретически, модель передачи изменений (push, pull).

В докладе не будет:

Все это есть в Интернете, синтаксис разбирать смысла нет.

Забавный факт — если немного задуматься, репликация нам теоретически помогает из принципиальных соображений скейлить только чтение. Вот такой несколько неочевидный вывод. Это потому что, если у нас на одну и ту же копию данных надо налить определенное количество изменений, и эта определенная копия данных обслуживается одним и тем же сервером, то этот сервер способен выдержать определенное количество апдейтов в секунду, и больше туда не залить. Способен сервер обновить 1000 записей в секунду, а 2000 — не способен. Что изменится от того, что ты поставишь к этому серверу реплику, неважно, в режиме мастер-слэйв или мастер-мастер? Сумеешь ты на эту реплику налить вторую тысячу апдейтов? Правильный ответ — нет.

На реплику в режиме мастер-мастер ты, конечно, сумеешь налить дополнительных апдейтов, другое дело, что, когда они не прилетят на первый мастер и попытаются на нем сделать вторую тысячу апдейтов, то емкости уже не хватит. Надо понимать и не смешивать два почти очевидных момента, что репликация, как бы, про одно, а то, что данные надо дробить, и если надо скейлить не чтение, а записи, то придется делать что-то другое, а репликация не очень спасет.

Т.е. репликация — это больше про чтение.

Про синхронизацию.

Синхронизация — гарантия наличия и доступности. Доступности в том смысле, что у нас commit прошел, транзакция зафиксировалась, все хорошо, эти данные видно одной или нескольким нодам в кластере, они могут участвовать в следующих запросах. Наличие — это то, что данные, в принципе, есть более чем на одном сервере, но, возможно, транзакция не проигралась и не доступна.

Здесь нет рефрена «commit закончился успешно, что это значит?». Синхронный commit означает, что у нас локальный и удаленный (хотя бы на одной реплике) закончился, т.е. мы что-то закоммитили на машину, если у нас синхронный режим репликации, то эти изменения успешно закоммитились, они видны для последующих запросов на локальной машине, на удаленной машине (хотя бы на одной) тоже видны. Это означает, что если случилась стандартная внештатная ситуация, т.е. в один и серверов прилетел лом и пробил все насквозь — от процессора до самого винта, то, несмотря на это, данные не только скопированы на некий удаленный сервер, но еще, вдобавок, могут мгновенно, без каких-то дополнительных задержек, участвовать в последующих транзакциях.

Это все общая терминология, никак совершенно не связанная с MySQL. В любой распределенной системе оно будет устроено так.

Асинхронный commit — никаких дополнительных гарантий, как повезет.

Полусинхронный commit — приятное промежуточное решение, это когда у нас локальный commit прошел, про удаленный commit ничего не известно — может, слэйв догнал, а, может, и не догнал, но, по меньшей мере, нам пришло подтверждение, что эти данные куда-то улетели и там приняты и, наверное, записались.

Про сервера для записи. Какие бывают виды репликации.

Master-slave classic, изменения все льются на один сервер, после этого копируются на массу реплик.

Master-master true — когда изменения льются на кучу мастеров одновременно и каким-то образом с одного на другой, с другого на третий и между ними всеми, что порождает и ряд радостей, и ряд автоматических проблем. Понятно, что когда у тебя есть одна «золотая копия» и с нее несколько реплик, которые должны (в идеале — мгновенно) повторять эту «золотую копию», то все сравнительно просто с точки зрения того, как данные туда-сюда гонять и что делать на каждой конкретной копии. С master-master начинается интересная «головная боль», причем, подчеркиваю, не конкретно в случае MySQL, а сугубо теоретическая. Как же быть, если на двух нодах одновременно попытались прогнать одну и ту же транзакцию, которая меняет одни и те же данные, причем, меняет их, для простоты примера, по-разному. Понятно, что одновременно эти два изменения мы применить не можем. На момент, когда мы на одной ноде начинаем что-то изменять, на второй ноде еще пока ничего нет. Конфликт. Одну из транзакций придется откатывать. Вдобавок начинаются отдельные «пляски» со сверкой часов и т.п.

Любопытный момент — даже вариант, когда у вас в конечном итоге все изменения со всех мастеров должны постепенно распространиться везде, все равно не поможет тому самому write bandwidth. Обидно, но вот так.

Приятный вариант — под названием«Master-slave + routing запросов». Приятен он тем, что внутри программировать просто, у тебя есть одна основная копия, ты ее реплицируешь на кучу машин. Это намного проще, чем в мастер-мастер среде, когда все равноправны и т.д., но с точки зрения приложения все равно выглядит так, будто у тебя точек записи много. Ты приходишь на любую ноду, она знает, куда тебя зароутить, и успешно роутит. Ну, и чтения масштабируются — вот оно счастье репликации. Читать можно со всех точек все и всегда.

Теперь ближе к базам данных, «волшебным» форматам statement-based, row-based и т.д. Про формат изменений.

Что можно делать? Можно передавать сами запросы, а можно передавать только измененные строки. Подчеркиваю — пока мы еще не нырнули в дебри MySQL, этим может заниматься любая СУБД, в которой есть запросы, порождающие большое (или не очень) количество изменений, т.е. обновляющие много данных. Возникает вопрос — а что конкретно будем копировать? Можно сами запросы туда-сюда между нодами гонять, а можно гонять только измененные данные. Интересно, что и так и эдак очень плохо! Можно еще пытаться смешивать.

Еще один пункт про то, какие бывают репликации. Про модель распространения. Наверное, где-то до сих пор еще не полностью вымерла модель Push-based, когда та нода, которая внесла изменения, та и обязана их рассылать по всем остальным нодам. С точки зрения программирования и отслеживания state'ов это та еще морока. Поэтому рулит Pull-based. Забирать апдейты с той или иной ноды — это намного проще запрограммировать, чем на одной ноде следить за хаотичным кластером своих реплик.

Некие общие термины ввели. Переходим к тому, как сделали в MySQL.

MySQL, сам по себе, это некий обман. Есть логический слой под названием MySQL, который занимается всяким общими и изолированными от хранения данных делами — сеть, оптимизатор, кэши и т.д. Конкретный физический слой, который отвечает за хранение данных, лежит на этаж ниже. Есть несколько встроенных, есть ставящиеся плагинами. Но даже встроенные MyISAM, InnoDB и т.д. живут на физическом слое. Плагинная архитектура — это клево, можно подцепить новый движок, но мгновенно возникает некая неоптимальность. В принципе, транзакционные write-ahead log'и (WAL), которые физический слой хранения все равно пишет, было бы хорошо использовать для репликации, и если система знает о том, что есть некий физический уровень, или достаточно хорошо сопряжена с этим физическим уровнем, то можно было бы отдельный лог на логическом уровне не писать, а использовать тот же самый WAL. Но у MySQL это невозможно концептуально, либо, если поменять интерфейс в PSE так, чтобы стало возможно концептуально, то будет очень много работы.

Репликация реализована на уровне самого MySQL. В этом есть и хорошее — помимо одного лога в виде глубоко внутренних данных движка хранения, есть более-менее логический лог, возможно, на уровне statement'ов, который ведется отдельно от этого движка. А это «лишняя» безопасность и т.д. плюс, поскольку никаких ограничений внутри нет, можно делать всякий креатив типа подмены движка «на лету».

В веденных терминах в MySQL 4.1 было реализовано: master-slave, pull-based, строго async и строго SBR. Если вы застряли в древней эпохе 4.х, то, наверное, у вас все плохо. Версиям 5.х уже чуть ли не 10 лет — пора бы и обновиться.

Забавно прослеживать по версиям, как люди наступали на всяческие грабли и, когда сделать уже ничего было нельзя, прикручивали к этим граблям новые грабли, чтобы жизнь была не такая болезненная. Так, в версии 5.1 прикрутили RBR, чтобы компенсировать неизбежные проблемы с SBR, и прикрутили mixed режим. В версии 5.6 прикрутили еще приятных штук: semi-sync, delayed slave, GTID.

Еще один момент. Поскольку MySQL — это некий общий слой, с одной стороны, и куча pluggable движков, с другой стороны, в том числе, встроенных, там есть с определенного момента божественный NDB cluster, про который рассказывают крутое. Там полностью синхронная мастер-мастер репликация, очень доступная in-memory БД… Но есть один нюанс — как только начинаешь искать людей, которые в продакшене используют NDB cluster, то таких людей находится крайне мало.

Чем занимается мастер в тот момент, когда вы решили включить репликацию? На мастере происходит довольно мало дополнительных движений. Как обычно, мы по сети принимаем запросы, парсим их, гоняем транзакции, фиксируем их и т.д. Вдобавок к этому, на логическом уровне MySQL мастер начинает вести binary log — файл, не совсем текстовый, в который сыплются все подряд изменения. Также мастер умеет рассылать эти логи по сети. Все это очень просто и, вроде как, работает.

Чем занимается слэйв? Изменения на слэйв лучше не слать, потому что можно попасть в непонятное. У слэйва чуть больше работы. Помимо того, чтобы вести один дополнительный лог и по запросу его рассылать, еще есть тред, который ходит к удаленному мастеру, возможно, даже не к одному, и качает оттуда binary log'и. Решение «давайте ходить к нескольким удаленным мастерам и с них качать разные логи» неоднозначно. С одной стороны неплохо, а с другой получается мгновенное расхождение. Просто физически копировать файлы по SCP нельзя, уже получается на сервере один лог, в нем свои позиции, локально мы их по сетке тянем, складываем в отдельный лог, еще отдельный тред бегает и пытается проигрывать эти локальные логи. Самое адское, на мой взгляд, заключается в том, что вплоть до версии 5.6 идентификация той или иной транзакции в логе происходила по имени файла и позиции на мастере. Интересное решение.

Вот путь записи, который простенький insert проходит без репликации:

Приложение сконнектилось к серверу, положило в таблицу и отбой.

С репликацией получается несколько дополнительных шагов:

Приложение-писатель точно так же идет к мастеру, но вдобавок эти данные попадают в том или ином виде в binary log, потом качаются по сети в relay log, потом из relay log'а постепенно реплеются (если нам повезло, и слэйв не лагает, реплеются сразу) в таблицу на слэйве, после этого все доступно в читателе.

Что конкретно попадает в binary log, зависит от настроек SBR/RBR/mixed. Откуда это все растет? Представим себя базой данных. Нам прилетел простой запрос «обнови одну конкретную запись» — UPDATE users SET x=123 WHERE id=456

Что записать в binary log? В принципе, все равно, на самом деле. Можем коротенький запрос записать, либо (а он обновил одну запись) можем записать изменение каким-то образом в том или ином формате.

Другая ситуация. Представим, что нам прилетел тот самый запрос, который сам по себе маленький, а данных меняет много — UPDATE users SET bonus=bonus+100

Тут эффективный вариант один — писать сам запрос, потому что запрос — ровно 32 байта, а записей он может обновить произвольное количество — 1000, 100 000, 1 000 000, сколько угодно… Неэффективно писать измененные записи в лог.

А что произойдет, если мы в лог поместим такой нехитрый запрос «давайте отключим всех юзеров, которые не логинились давно» — UPDATE users SET disabled=1 WHERE last_login < UNIX_TIMESTAMP(NOW())-100*86400

Внезапно наступает ужас. Проблема в том, что если среплицировать идеально сам запрос, то, во-первых, время никогда не синхронно между двумя нодами, кроме этого, за счет того, что путь записи такой длинный, в момент реплея этот «NOW» разойдется-таки. Реплика внезапно расходится с мастером, и все последующие изменения, формально говоря, уже небезопасны, могут привести к чему угодно.

Вообще говоря, для таких запросов, вне зависимости от количества измененных данных, в идеале надо бы копировать сами строчки. В данном конкретном случае можно сами строчки не копировать, а зафиксировать константу и в лог написать не «NOW», а конкретный timestamp, который был использован мастером на момент репликации.

Забавные факты, которые случайно узнаешь, ныряя в дебри репликации. Причем, нырять можно неглубоко — нарываешься на них стразу. В случайном порядке они такие:

• мастер многопоточен, а слэйв — нет. Понятно, что если мастер наливает нагрузку в четыре ядра, слэйв эту нагрузку в одно ядро наливать не успевает. Все довольно плохо;
• состояние слэйва определяется именем позиции в файле мастера. Вдумайтесь — состояние одной ноды в кластере определяется именем файла и позицией в этом файле на другой ноде кластера, с которой может по любым причинам произойти что угодно!
• «спасительный» RBR. Оказывается, по умолчанию туда пишутся полные before/after row image, т.е. мы изменили одну колонку в пяти-килобайтной строке, оп! — 10 Кб трафика и байтов 20-40 оверхедов на эту строку, потом оп! — едет такая жирная строка предыдущей версии, оп! — едет после этого версия с новыми значениями. Администраторы воют хором! Тем не менее, это просто офигенно с точки зрения некоторых извращенных приложений, например, внешних читалок, которые пытаются подцепиться к серверу MySQL, с него вытягивать данные и делать с ними что-нибудь, например, совать их в полнотекстовый индекс. Насколько это плохо с точки зрения администрирования базы, в которой одно изменение на три байта порождает 10 Кб трафика на винте, а потом 10 Кб трафика по сети на каждого слэйва, настолько же это хорошо для всяких систем типа полнотекстового поиска, как Sphinx, у которых нет локальной копии данных, а MySQL с нуля имплементировать нет никакого желания. В MySQL 5.6 спохватились и сделали binlog_row_image (но по дефолту full, а не minimal или noblob).

Короче говоря, устроено все не хитро — палка, веревка, один лог, второй лог. И даже в этом логе «детские» болезни довольно забавные:

Для человека, который использует репликацию два дня, все это страшно и тяжело. Но, зная, насколько она нехитро устроена, в принципе, понятно, как с ней жить:

• прежде всего, не верим дефолтам;
• внимательно смотрим на настройки, думаем, чего хотим — SBR, RBR и т.д.

И лучше сразу настроить, чтобы потом не разбирать странный фарш.

В ситуации «протух лог, разошлась позиция, неизвестно, что происходит» есть определенный инструментарий — смотрим event'ы, пытаемся понять, какая транзакция уже проскочила, какая — нет, можно ли все это дело спасти или восстановить и т.д. Если GTID«ы заранее сумели включить, то жизнь становится проще.

Другой момент наблюдения за репликацией. Интересно посмотреть, как внутреннее кривое устройство провоцирует не то, что конкуренцию, а создание дополнительных продуктов. „Волшебный“ Tungsten Replicator, говорят, хорошо решает задачу под названием „однопоточный слэйв — это плохо“, а если бы не врожденные сложности, не было бы дополнительного продукта, который позволяет пользоваться этим механизмом, переливать данные в другие системы, с одной стороны, и заодно решать ряд проблем, встроенных в существующую систему, с другой стороны.

Как обычно, советовать невозможно. Кому-то помогает, кто-то будет сильно плеваться. Но, говорят, есть ситуации, в которых с неизбежным однопоточным лагом хорошо справляется Tungsten. Я уверен, есть еще всякие увлекательные фокусы, но внутренний однопоточный слэйв — это тяжело.

Что делать, если вы зачем-то использовали реплики как бэкап? Я считаю, надо биться головой об стену, потому что реплика и бэкап — это две разные штуки. Тем не менее, если вы креативные пацаны и используете достаточно новую версию, delayed replication вас спасает, с одной стороны, но с другой стороны, если вы не делаете полноценных бэкапов, вас все равно ничего не спасет.

Далее еще один элемент креатива. Нетрудно представить ситуацию, когда мастер забил логами весь 10 PB облачный диск или забил рассылкой этих логов всю сеть, при этом 90% этих обновлений нам не нужны, потому что нам интересно реплицировать, например, одну таблицу прицельно или одну базу прицельно, а по умолчанию все валится валом в бинарный лог — все изменения по всем базам, по всем таблицам, по всему. Решение опять поражает своей креативностью. С одной стороны, есть четыре настройки — {binlog|replicate}_{do|ignore}_db, которые позволяют фильтровать на мастере — что запишется в лог, а что проигнорируется. На слэйве, соответственно, позволяет делать то же самое. Т.е. на мастере мы можем отфильтровать то, что попадает в binary log — в эту воронку, которая потом сливается в сеть, а на слэйве, соответственно, мы можем поставить входящий фильтр на то, что прилетает из сети. Или писать на диск только часть данных, а потом на слэйве реплеить, опять же, только часть данных. Внезапно даже в этой нехитрой истории наступает ужас, потому что комбинация — используем одну БД, а апдейтим таблицу в другой БД через интересный синтаксис — она ведет себя как-то… А как конкретно она себя поведет — неизвестно, т.к. разные фильтры срабатывают в разные моменты.

Встроенных приятных штук под названием „перевыборы мастера, если он внезапно сдох“ нет, надо поднимать руками. Отсутствие инструментов для менеджмента кластера — это, по моему мнению, хорошо — порождает конкуренцию, порождает создание дополнительных продуктов. В самом деле, если бы в обычном MySQL идеально работала очень клевая мастер-мастер репликация, или хотя бы автоматическое поднятие после сбоев, то зачем бы была нужна всякая Galera, Рercona/MariaDB Cluster и т.д.?

Еще немного фокусов. Интересна реализация репликации, которая простая как палка и веревка, без всяких проверок, с одной стороны, и без всяких инструментов, чтобы приятнее менеджить кластер реплицирующегося слэйва, с другой стороны. Это плохо. Но зато можно вручную лепить из этого такие интересные конфигурации, что содрогнутся все, кто потом придет и за вами будет это разбирать.

Конфигурация №1. Мастер-мастер «на коленке» в стиле MySQL делается вот так:

Что пугает — сколько в мире идиотов! Погуглите „Мастер-мастер MySQL репликация“ — каждая вторая ссылка вот такая. Ад и холокост.

Фокус №2 — catch-all slave — поприятнее. Никаких ненужных проверок нет — что с кого прилетает, кому попадает, и что с этим делать. За счет этого можно сделать забавные штуки типа слэйва, на который либо прицельно сливается часть данных с кучи серверов, либо прицельно сливаются все данные со всех серверов — сервер со всеми-всеми бэкапами. Но, повторюсь, репликация есть, т.е. есть некий базовый инструмент, который копирует таблицу А вместо В и все.

Ну и, наконец, фокус №3 — подменяем всякое. Вспоминаем, что репликация живет на логическом уровне, никак не связанном с физическим уровнем хранения. За счет этого можно крайне интересно чудить. Можно менять движок «на лету» с непонятными целями — вот true story, что, дескать, репликация из InnoDB баз в MyISAM таблицы просто ради того, чтобы полнотекстовый поиск работал хоть как-то. Есть креативный финт под названием „изменение схемы через репликацию“. В чем жир, понимать отказываюсь, но бывают и такие фокусы. Ну и, есть понятный и интересный режим работы под названием „параноидальный апгрейд версии через репликацию“.

В ходе доклада мы узнали:

Тем не менее, с этим адом можно жить, если хотя бы примерно понимать, как он устроен.

Основной посыл в том, что:

В 2015 году на конференции HighLoad++ Junior Андрей Аксёнов прочитал новую версию своего доклада об устройстве репликации в MySQL. Её мы тоже расшифровали и опубликовали в своём блоге.