數(shù)據(jù)庫集群

一.數(shù)據(jù)庫集群的定義 數(shù)據(jù)庫集群，顧名思義，就是利用至少兩臺(tái)或者多臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，構(gòu)成一個(gè)虛擬單一數(shù)據(jù)庫邏輯映像，像單數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)那樣，向客戶端提供透明的數(shù)據(jù)服務(wù)。 這里有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)： 1.??兩臺(tái)或者多臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：如果只有一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是不能稱其為集群的。 2.??透明的服務(wù)：集群向客戶端提供的服務(wù)與單機(jī)系統(tǒng)向客戶端提供的服務(wù)，從通訊協(xié)議上保持二進(jìn)制兼容。 二.與分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的區(qū)別

數(shù)據(jù)庫集群有的具有單份數(shù)據(jù)集，有的具有兩份或多份相似的數(shù)據(jù)集，有的具有兩份或多份實(shí)時(shí)一致的數(shù)據(jù)集；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)往往具有完全不同的數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)庫集群往往是同構(gòu)的系統(tǒng)，要求集群各節(jié)點(diǎn)都具有相同的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)版本，甚至補(bǔ)丁包的版本也要求保持一致；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以是異構(gòu)系統(tǒng)，包含不同的操作系統(tǒng)和不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫集群往往建立在高速局域網(wǎng)內(nèi)；而分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)既可以是高速局域網(wǎng)，也可以是跨部門、跨單位的異地遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。

三.數(shù)據(jù)庫集群的技術(shù)指標(biāo) 由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是任何一個(gè)信息系統(tǒng)的核心，因此除了業(yè)務(wù)邏輯之外，用戶還關(guān)心下面三點(diǎn)： 1.??系統(tǒng)性能 性能問題涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用設(shè)計(jì)架構(gòu)、代碼質(zhì)量等多方面。但是數(shù)據(jù)庫集群如果能提供負(fù)載均衡能力和自動(dòng)優(yōu)化能力，則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能具有莫大的好處。 2.??數(shù)據(jù)可靠性 在系統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等故障)條件下數(shù)據(jù)丟失的可能性。有的系統(tǒng)從設(shè)計(jì)原理上注定了必然會(huì)存在理論上的數(shù)據(jù)丟失可能性，而有的系統(tǒng)因?yàn)槿哂嘣O(shè)計(jì)原理，可以保證理論上的數(shù)據(jù)零丟失。用容災(zāi)領(lǐng)域的術(shù)語來講，這類似于RPO(Recovery Point Objective)，但是不完全等同于RPO。 3.??服務(wù)可用性 在系統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等故障)條件下整個(gè)系統(tǒng)停止對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)的可能性。與上面的數(shù)據(jù)庫可靠性緊密關(guān)聯(lián)，如果一個(gè)系統(tǒng)從理論上存在數(shù)據(jù)丟失的可能性，那么這樣的系統(tǒng)必然會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)停止。同樣地，用容災(zāi)領(lǐng)域的術(shù)語來講，這類似于RTO(Recovery Time Objective)，但是也同樣不能完全等同于RTO。 四.數(shù)據(jù)庫集群的分類 在市場(chǎng)上，數(shù)據(jù)庫集群是一個(gè)籠統(tǒng)的名詞，沒有一個(gè)權(quán)威的定義，各市場(chǎng)參與者往往是各取所需，推出各種特色的數(shù)據(jù)庫集群解決方案。一般地具有下列四種集群方案： 1．基于串行數(shù)據(jù)復(fù)制技術(shù) 串行復(fù)制技術(shù)，本來是用于數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)備份的，離人們熟悉的“數(shù)據(jù)庫集群”的概念有一定的距離。但是由于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用這種概念和技術(shù)構(gòu)成的“數(shù)據(jù)庫集群”有了一定的可行性。此類集群，又可以分兩類: a.串行異步復(fù)制

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此種方式是數(shù)據(jù)的異步串行復(fù)制。主要采用數(shù)據(jù)庫事務(wù)日志傳送或者硬盤數(shù)據(jù)塊傳送技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，SQL Server自帶的復(fù)制、鏡像和SQL2012新出的AlwaysON(備機(jī)可讀)以及第三的一些鏡像Mirror技術(shù)都是屬于此類產(chǎn)品，此類技術(shù)和產(chǎn)品本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)備份技術(shù)和產(chǎn)品。下列以事務(wù)日志傳送(Log Shipping)為例來說明。主數(shù)據(jù)庫完成事務(wù)處理后，生成事務(wù)處理日志，日志記錄通過FIFO隊(duì)列，進(jìn)入備份數(shù)據(jù)庫處理，從而得到備份數(shù)據(jù)。此種方式的缺陷在于： a)? ?主數(shù)據(jù)庫并行處理事務(wù)而日志拷貝是串行的，而備份數(shù)據(jù)庫處理日志記錄也是串行的。因此，FIFO隊(duì)列的溢出隨時(shí)可能發(fā)生。一旦發(fā)生，隊(duì)列必須重建，從而需要重新建立備份數(shù)據(jù)庫。此種方法對(duì)于一般客戶來講是不可行的。 b)? ?由于日志拷貝是異步的，主備數(shù)據(jù)庫不是實(shí)時(shí)一致，兩者之間存在“時(shí)間差”，因此如果用備份數(shù)據(jù)庫作負(fù)荷均衡，這樣的應(yīng)用存在邏輯上的漏洞，可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。 c)? ?由于主備數(shù)據(jù)存在時(shí)間差, 主數(shù)據(jù)庫一旦發(fā)生事故，理論上一定會(huì)丟失數(shù)據(jù)。在這種情況下，要么需要手工恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，這會(huì)消耗大量的人工成本，或者數(shù)據(jù)根本就不能恢復(fù)。 d)? ?對(duì)主機(jī)的性能影響，根據(jù)測(cè)試一般在15%到25%之間。 b.串行同步復(fù)制 此類集群往往是由昂貴的專用軟硬件構(gòu)成的，原理圖如下：

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此類系統(tǒng)采用專用的高速網(wǎng)絡(luò)和軟件技術(shù)，將每個(gè)數(shù)據(jù)庫的請(qǐng)求，通過同步復(fù)制的方式，同步在主備兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上執(zhí)行正確后，才將結(jié)果返回給數(shù)據(jù)庫客戶。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是： a)? ?主數(shù)據(jù)庫被強(qiáng)迫與備份數(shù)據(jù)庫同步串行處理，因此性能受到限制。 b)? ?主備數(shù)據(jù)庫中任意一個(gè)出現(xiàn)問題，都會(huì)迫使事務(wù)處理交易回滾，因此整個(gè)系統(tǒng)的可靠性比單機(jī)系統(tǒng)降低了一半。 c)? ?由于以上問題，這種備份方式只適用于近距離光纖網(wǎng)絡(luò)（5英里）。 d)? ?專用系統(tǒng)造價(jià)昂貴，又加上述明顯缺陷，因此市場(chǎng)上很少被采用。 2．基于共享存儲(chǔ)的雙機(jī)容錯(cuò)技術(shù) 從技術(shù)適應(yīng)性的角度講，雙機(jī)容錯(cuò)比較適合于無狀態(tài)應(yīng)用，或者狀態(tài)信息較少的應(yīng)用切換，以此達(dá)到應(yīng)用級(jí)的高可用性目的，其實(shí)并不適合于數(shù)據(jù)庫級(jí)的應(yīng)用切換。

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此種結(jié)構(gòu)往往是兩個(gè)服務(wù)器共享一個(gè)磁盤陣列，這里兩個(gè)服務(wù)器共享一個(gè)虛擬的IP供數(shù)據(jù)庫客戶使用，形成一個(gè)單一的邏輯數(shù)據(jù)庫映象。此種所謂的數(shù)據(jù)庫集群的目的是，一旦主機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，備份系統(tǒng)通過心跳機(jī)制的檢測(cè)，完成從主機(jī)系統(tǒng)到備份系統(tǒng)的切換。這種方案在市場(chǎng)上被稱為“雙機(jī)集群”或者“雙機(jī)熱備”，簡稱參見“雙機(jī)”，但微軟稱之為“故障轉(zhuǎn)移集群”。它有下列特點(diǎn)： a.??此種高可用性解決方案只是無狀態(tài)系統(tǒng)(典型的如Web服務(wù)器)的普通容錯(cuò)切換思想在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的應(yīng)用。 b.??此系統(tǒng)本身只有一個(gè)單一的數(shù)據(jù)映象，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在共享的磁盤陣?yán)?#xff0c;因此共享的磁盤陣列成為了整個(gè)系統(tǒng)的單點(diǎn)錯(cuò)誤源。 c.??由于是單一數(shù)據(jù)映象，因此必須采用通常的復(fù)制或備份方法獲取第二份數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性。因此所有復(fù)制或備份方法的缺點(diǎn)，此類系統(tǒng)全部存在。 d.??主機(jī)系統(tǒng)和備份系統(tǒng)之間是沒有任何負(fù)載均衡關(guān)系的，在正常情況下，備份系統(tǒng)是閑置在那里，因此對(duì)用戶來說是一種投資浪費(fèi)。 e.??在錯(cuò)誤切換的時(shí)候，往往存在切換時(shí)間長，而且更嚴(yán)重的是可能會(huì)存在丟失用戶交易數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)被迫停止服務(wù)，或者需要人工修復(fù)數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)找不回來。 3．以O(shè)racle RAC為代表的系統(tǒng) RAC的英文全稱是：Real Application Cluster(真正的應(yīng)用級(jí)集群)。我們需要關(guān)注的是“應(yīng)用級(jí)”。為了緩解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)日益增長的性能壓力，Oracle公司推出了RAC系統(tǒng)。它基本結(jié)構(gòu)如下：

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此類系統(tǒng)，專門是針對(duì)數(shù)據(jù)庫性能問題而提出的。采用共享磁盤陣列的方式，因此在結(jié)構(gòu)上和上述雙機(jī)容錯(cuò)相似，不同的地方在于此系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)之間采用的不是簡單的心跳檢測(cè)，而是Oracle公司自己定義的一套復(fù)雜的信息交換協(xié)議，以此來動(dòng)態(tài)分配來自數(shù)據(jù)庫客戶端的請(qǐng)求。它的特點(diǎn)是： a.??是個(gè)應(yīng)用級(jí)的集群，也就是針對(duì)Oracle的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(因?yàn)閿?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)于操作系統(tǒng)來講，就是一個(gè)“應(yīng)用程序”，因此被稱為“應(yīng)用級(jí)集群”)，專門為提高數(shù)據(jù)庫性能而設(shè)計(jì)。 b.??此系統(tǒng)本身只有一個(gè)單一的數(shù)據(jù)映象，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在共享的磁盤陣?yán)?#xff0c;因此享的磁盤陣?yán)蔀榱苏麄€(gè)系統(tǒng)的單點(diǎn)錯(cuò)誤源。 c.??管理配置復(fù)雜。 d.??由于是單一數(shù)據(jù)映象，因此必須采用通常的復(fù)制或備份方法獲取第二份數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的安全性。因此所有復(fù)制或備份方法的缺點(diǎn)，此類系統(tǒng)全部存在。 e.??由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身具有高I/O的特性，因此，RAC系統(tǒng)里，磁盤I/O是提高性能的關(guān)鍵地方。 f.??依據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，有的性能有所提升，有的性能可能會(huì)反而下降。 4．基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步技術(shù) 基于此技術(shù)構(gòu)造的數(shù)據(jù)庫集群是市場(chǎng)上的新興力量，它又具有兩類，分別是： a.具有獨(dú)立網(wǎng)關(guān) 下面以DBTwin為例來說明其技術(shù)特點(diǎn)。

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DBTwin采用了冗余設(shè)計(jì)原理，對(duì)于來自客戶端的請(qǐng)求，請(qǐng)求被分成兩類：查詢請(qǐng)求和數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求。對(duì)于數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求，集群內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步一致；對(duì)于數(shù)據(jù)的查詢請(qǐng)求，則可以在集群各節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載均衡執(zhí)行。它的特點(diǎn)是： a)? ?負(fù)載均衡的單元是客戶端的每個(gè)獨(dú)立請(qǐng)求，這點(diǎn)除了Oracle RAC集群，是市場(chǎng)上獨(dú)有的。 b)? ?實(shí)時(shí)冗余一致的多份數(shù)據(jù)，從理論上講實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的零丟失。 c)? ?由于可以做到數(shù)據(jù)零丟失，因此在系統(tǒng)發(fā)生任意故障條件下，可以做到系統(tǒng)的對(duì)外服務(wù)不停止。 d)? ?此系統(tǒng)使用了專用高速數(shù)據(jù)同步技術(shù)，根據(jù)測(cè)試，數(shù)據(jù)同步速度能SQL Server的鏡像相等。 e)? ?此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)同步需要花費(fèi)代價(jià),節(jié)點(diǎn)數(shù)量受到限制，一般2到4個(gè)節(jié)點(diǎn)為宜。 f)? ?此系統(tǒng)從宏觀上提升了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 b.沒有獨(dú)立網(wǎng)關(guān) 當(dāng)前市場(chǎng)上也存在下列一種基于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步的集群，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

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此系統(tǒng)由于沒有獨(dú)立的集群網(wǎng)關(guān)，因此本質(zhì)上簡化成了數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)備份系統(tǒng)，與實(shí)際的備份系統(tǒng)不同的是，它是工作在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用層。此系統(tǒng)的特點(diǎn)： a) 沒有獨(dú)立的集群網(wǎng)關(guān)，通過主節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)行查詢的負(fù)載均衡。在系統(tǒng)壓力大的情況下，集群主機(jī)會(huì)形成性能瓶頸，無論是CPU、內(nèi)存還是網(wǎng)絡(luò)帶寬，也可能是OS等系統(tǒng)內(nèi)核資源，都容易因到達(dá)臨界狀態(tài)而形成瓶頸。 b) 各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)一致，對(duì)于數(shù)據(jù)容錯(cuò)有利。 c) 對(duì)客戶端沒有二進(jìn)制透明。 d) 負(fù)載均衡單元是數(shù)據(jù)庫連接。也就是說，在客戶端登陸數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，靜態(tài)地指定連接到某個(gè)集群節(jié)點(diǎn)，此后此連接上的全部請(qǐng)求一律發(fā)送到該數(shù)據(jù)庫上，因此在特殊情況下，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的場(chǎng)景：所有客戶端的連接集中在集群主機(jī)上，這時(shí)候，集群主機(jī)不但承擔(dān)了客戶端的所有查詢，還需要實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)到所有的集群從機(jī)，即集群主機(jī)的CPU為100%，而集群別的節(jié)點(diǎn)CPU可能為0%，這樣整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。 e) 由于使用的是分布式事務(wù)機(jī)制(MSDTC)確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)一致性，因此數(shù)據(jù)同步的性能比較慢，根據(jù)測(cè)試,會(huì)比SQL Server鏡像慢好幾倍。 f) 同樣地，此集群的節(jié)點(diǎn)數(shù)量也受到限制，也是以2到4個(gè)節(jié)點(diǎn)為宜。 五.相關(guān)名詞解釋 1.同步 數(shù)據(jù)庫客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求后，要等集群的每個(gè)節(jié)點(diǎn)全部更新后，才給客戶端返回結(jié)果。 2.異步 數(shù)據(jù)庫客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求后，接受請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)(這里往往是主數(shù)據(jù)庫)立馬給客戶端返回結(jié)果，被更新的數(shù)據(jù)則會(huì)在接下來的某個(gè)時(shí)間里被復(fù)制傳輸?shù)郊旱钠渌?jié)點(diǎn)上。 3.基于連接的負(fù)載均衡 此種負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較簡單，就是在客戶端發(fā)起登陸的時(shí)候，按照某種負(fù)載均衡算法，選擇登陸到集群某臺(tái)數(shù)據(jù)庫，此后所有客戶端的請(qǐng)求全部會(huì)發(fā)送到此數(shù)據(jù)庫上。 4.基于請(qǐng)求的負(fù)載均衡 此種負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)技術(shù)比較復(fù)雜，但是功能強(qiáng)大，就是在客戶端發(fā)起登陸的時(shí)候，集群網(wǎng)關(guān)會(huì)同時(shí)登錄到集群各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，此后所有的客戶端請(qǐng)求，經(jīng)過集群網(wǎng)關(guān)的分析被分成兩類，查詢請(qǐng)求根據(jù)負(fù)載均衡算法挑選一個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，數(shù)據(jù)更新請(qǐng)求則有主機(jī)執(zhí)行并實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)到集群各節(jié)點(diǎn)。

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總結(jié)

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