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隨著互聯網應用的不斷發(fā)展，數據庫的重要性也越來越凸顯。當互聯網應用流量增長到一定程度時，單臺數據庫無法承受如此大的負荷。這時候，我們需要數據庫集群來進行數據存儲和負載均衡。但是，集群模式下，不同節(jié)點之間必須實現數據同步，保證數據的正確性和一致性。本文將對數據庫集群同步技術的原理進行簡述。
一、數據庫集群同步技術的作用
在數據庫集群中，如果只是簡單的將數據存儲到不同節(jié)點，那么會出現數據不一致的情況。比如說，用戶在一臺節(jié)點進行了修改，但是該節(jié)點并沒有同步到其他節(jié)點，這時候如果其他節(jié)點繼續(xù)對該數據進行修改，那么就會出現數據不一致的問題。因此，為了維護及時、準確的數據，必須要實現數據庫的同步。
二、數據庫集群同步技術的目標
數據庫集群同步技術的目標是保證在不同的節(jié)點上數據具有一致性和正確性。在這個基礎上，需要滿足以下幾個要求：
1. 數據庫的數據應該能夠通過網絡進行傳輸和同步；
2. 當數據庫中的數據在不同節(jié)點的主機上進行修改時，需要通知其他節(jié)點，讓其也能及時和正確地同步該數據；
3. 數據庫同步過程中不能影響當前系統(tǒng)的正常運行，應該保證集群在同步的同時，能夠應用程序不受影響地處理其他請求；
4. 當出現網絡分區(qū)現象時，需要通過相應的機制避免“分片”現象對數據的影響，保證集群的一致性。
三、數據庫集群同步技術的實現原理
1. 基于主從模式同步
主從模式是最基本的一種數據庫集群模式。在這種模式下，有一個主節(jié)點和若干個子節(jié)點(從節(jié)點)。所有的寫入操作都在主節(jié)點上執(zhí)行，從節(jié)點則只能執(zhí)行讀操作。主節(jié)點上的數據發(fā)生修改后，就向所有被動從節(jié)點發(fā)送數據變更信息，從節(jié)點接收到數據變更信息后，再主動與主節(jié)點進行重新交互，將修改后的數據進行同步。
該模式的優(yōu)點是簡單易懂，缺點則是存在單點故障風險和容災能力差。
2. 基于主主模式同步
在主主模式下，不同節(jié)點之間同時擁有寫操作和讀操作的功能，寫入的數據可以在不同節(jié)點之間進行復制和同步。也就是說，不同節(jié)點之間的數據都應該是完全相同的。在該模式下需要解決數據沖突、鎖競爭等問題。
主主模式在實現過程中，需要考慮到許多復雜情況的處理，比如在主主模式下，兩臺機器在不同時間段對同一條記錄進行修改時，就需要考慮數據同步的問題。同時，數據的沖突、鎖競爭等問題都需要引入解決機制，這大大增加了系統(tǒng)的復雜度。
3. 基于復制日志同步
復制日志同步是現在主流的數據庫集群同步技術之一。在這種技術下，主節(jié)點會記錄每次的數據變更情況，同時向所有從節(jié)點發(fā)送數據變更日志。從節(jié)點接收到新的數據變更信息后，就向主節(jié)點請求數據變更日志，進行數據同步。
復制日志同步的優(yōu)點在于，具有較高的性能和容災能力，且節(jié)點之間的數據一定是一致的。其缺點在于實現較為復雜，需要考慮很多實現細節(jié)。
4. 基于Voting同步
基于Voting的同步方式是一種基于指數級管道的系統(tǒng)。在該同步方式下，每個節(jié)點同時維護一個日志列表，并在每個磁盤上記錄一個計數器；當數據變更時，主節(jié)點的計數器會加1，并將日志發(fā)送給其他節(jié)點，這些節(jié)點的計數器也都會遞增。與主節(jié)點的計數器和日志項完全匹配后，才會被同步到其他節(jié)點。
Voting同步的優(yōu)點在于不會發(fā)生網絡分區(qū)，并能自適應地選擇合適的同步節(jié)點。其缺點在于需要高效的分布式協(xié)議，并且執(zhí)行效率較低。
四、結論
隨著數據庫技術的不斷發(fā)展，數據庫集群同步技術也在不斷完善。對于不同的使用場景，需要選擇適合的技術方案，以保持集群的高可靠性和高性能。在選擇合適的技術方案上，需要考慮到數據一致性、容錯性、系統(tǒng)可擴展性等因素，才能夠有助于提升我們的數據庫集群架構的效率和可靠性。
相關問題拓展閱讀：
- 數據庫集群的性質
數據庫集群的性質
一.與分布式數據庫系統(tǒng)的區(qū)別 數據庫集群有的具有單份數據集，有的具有兩份或槐談多份相似的數據集，有的具有兩份或多份實時一致的數據集；而分布式數據庫系統(tǒng)往往具有完全不同的數據集。 數據庫集群往往是同構的系統(tǒng)，要求集群各節(jié)點都具有相同的操作系統(tǒng)和數據庫系統(tǒng)版本，甚至補丁包的版本也要求保持一致；而分布式數據庫系統(tǒng)可以是異構系統(tǒng)，包含不同的操作系統(tǒng)和不同的數據庫系統(tǒng)。 數據庫集群往往建立在高速局域網內；而分布式數據庫系統(tǒng)既可以是高速局域網，也可以是跨部門、跨單位的異地遠程網絡。 二.數據庫集群的技術指標
由于數據庫系統(tǒng)是任何一個信息系統(tǒng)的核心，因此除了業(yè)務邏輯之外，用戶還關心下面三點：
1. 系統(tǒng)性能
性能問題涉及硬件、軟件、網絡、應用設計架構、代碼質量等多方面。但是數據庫集群如果能提供負載均衡能力和自動優(yōu)化能力，則是對整個系統(tǒng)性能具有莫大的好處。
2. 數據可靠性
在系統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數據庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲網絡等故障)條件下數據丟失的可能性。有的系統(tǒng)從設計原理上注定了必然會存在理論上的數據丟失可能性，而有的系統(tǒng)因為冗余設計原理，可以保證理論上的數據零丟失。鉛改碰用容災領域的術語來講，這類似于RPO(Recovery Point Objective)，但是不完全等同于RPO。
3. 服務可用性
在系殲則統(tǒng)發(fā)生任意故障(包括操作系統(tǒng)、數據庫引擎、硬盤或磁盤陣列或存儲網絡等故障)條件下整個系統(tǒng)停止對外提供數據服務的可能性。與上面的數據庫可靠性緊密關聯，如果一個系統(tǒng)從理論上存在數據丟失的可能性，那么這樣的系統(tǒng)必然會導致整個系統(tǒng)的服務停止。同樣地，用容災領域的術語來講，這類似于RTO(Recovery Time Objective)，但是也同樣不能完全等同于RTO。
三.數據庫集群的分類
在市場上，數據庫集群是一個籠統(tǒng)的名詞，沒有一個權威的定義，各市場參與者往往是各取所需，推出各種特色的數據庫集群解決方案。一般地具有下列四種集群方案：
1．基于串行數據復制技術
串行復制技術，本來是用于數據傳送和數據備份的，離人們熟悉的“數據庫集群”的概念有一定的距離。但是由于計算機軟硬件技術和網絡通訊技術的快速發(fā)展，使得利用這種概念和技術構成的“數據庫集群”有了一定的可行性。此類集群，又可以分兩類:
a.串行異步復制
此種方式是數據的異步串行復制。主要采用數據庫事務日志傳送或者硬盤數據塊傳送技術來實現，SQL Server自帶的復制、鏡像和SQL2023新出的AlwaysON(備機可讀)以及第三的一些鏡像Mirror技術都是屬于此類產品，此類技術和產品本質上就是數據備份技術和產品。下列以事務日志傳送(Log Shipping)為例來說明。主數據庫完成事務處理后，生成事務處理日志，日志記錄通過FIFO隊列，進入備份數據庫處理，從而得到備份數據。此種方式的缺陷在于：
a) 主數據庫并行處理事務而日志拷貝是串行的，而備份數據庫處理日志記錄也是串行的。因此，FIFO隊列的溢出隨時可能發(fā)生。一旦發(fā)生，隊列必須重建，從而需要重新建立備份數據庫。此種方法對于一般客戶來講是不可行的。
b) 由于日志拷貝是異步的，主備數據庫不是實時一致，兩者之間存在“時間差”，因此如果用備份數據庫作負荷均衡，這樣的應用存在邏輯上的漏洞，可能會發(fā)生數據錯亂。
c) 由于主備數據存在時間差, 主數據庫一旦發(fā)生事故，理論上一定會丟失數據。在這種情況下，要么需要手工恢復數據庫，這會消耗大量的人工成本，或者數據根本就不能恢復。
d) 對主機的性能影響，根據測試一般在15%到25%之間。
b.串行同步復制
此類集群往往是由昂貴的專用軟硬件構成的，原理圖如下：
此類系統(tǒng)采用專用的高速網絡和軟件技術，將每個數據庫的請求，通過同步復制的方式，同步在主備兩臺數據庫服務器上執(zhí)行正確后，才將結果返回給數據庫客戶。此系統(tǒng)的特點是：
a) 主數據庫被強迫與備份數據庫同步串行處理，因此性能受到限制。
b) 主備數據庫中任意一個出現問題，都會迫使事務處理交易回滾，因此整個系統(tǒng)的可靠性比單機系統(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絡（5英里）。
d) 專用系統(tǒng)造價昂貴，又加上述明顯缺陷，因此市場上很少被采用。
2．基于共享存儲的雙機容錯技術
從技術適應性的角度講，雙機容錯比較適合于無狀態(tài)應用，或者狀態(tài)信息較少的應用切換，以此達到應用級的高可用性目的，其實并不適合于數據庫級的應用切換。
此種結構往往是兩個服務器共享一個磁盤陣列，這里兩個服務器共享一個虛擬的IP供數據庫客戶使用，形成一個單一的邏輯數據庫映象。此種所謂的數據庫集群的目的是，一旦主機系統(tǒng)出現問題，備份系統(tǒng)通過心跳機制的檢測，完成從主機系統(tǒng)到備份系統(tǒng)的切換。這種方案在市場上被稱為“雙機集群”或者“雙機熱備”，簡稱參見“雙機”，但微軟稱之為“故障轉移集群”。它有下列特點：
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服務器)的普通容錯切換思想在數據庫領域的應用。
b. 此系統(tǒng)本身只有一個單一的數據映象，數據儲存在共享的磁盤陣例上，因此共享的磁盤陣列成為了整個系統(tǒng)的單點錯誤源。
c. 由于是單一數據映象，因此必須采用通常的復制或備份方法獲取第二份數據，以保證數據的安全性。因此所有復制或備份方法的缺點，此類系統(tǒng)全部存在。
d. 主機系統(tǒng)和備份系統(tǒng)之間是沒有任何負載均衡關系的，在正常情況下，備份系統(tǒng)是閑置在那里，因此對用戶來說是一種投資浪費。
e. 在錯誤切換的時候，往往存在切換時間長，而且更嚴重的是可能會存在丟失用戶交易數據丟失的現象，結果導致系統(tǒng)被迫停止服務，或者需要人工修復數據，或者數據永遠找不回來。
3．以Oracle RAC為代表的系統(tǒng)
RAC的英文全稱是：Real Application Cluster(真正的應用級集群)。我們需要關注的是“應用級”。為了緩解數據庫系統(tǒng)日益增長的性能壓力，Oracle公司推出了RAC系統(tǒng)。它基本結構如下：
此類系統(tǒng)，專門是針對數據庫性能問題而提出的。采用共享磁盤陣列的方式，因此在結構上和上述雙機容錯相似，不同的地方在于此系統(tǒng)中的數據庫節(jié)點之間采用的不是簡單的心跳檢測，而是Oracle公司自己定義的一套復雜的信息交換協(xié)議，以此來動態(tài)分配來自數據庫客戶端的請求。它的特點是：
a. 是個應用級的集群，也就是針對Oracle的數據庫管理系統(tǒng)(因為數據庫管理系統(tǒng)對于操作系統(tǒng)來講，就是一個“應用程序”，因此被稱為“應用級集群”)，專門為提高數據庫性能而設計。
b. 此系統(tǒng)本身只有一個單一的數據映象，數據儲存在共享的磁盤陣例上，因此享的磁盤陣例成為了整個系統(tǒng)的單點錯誤源。
c. 管理配置復雜。
d. 由于是單一數據映象，因此必須采用通常的復制或備份方法獲取第二份數據，以保證數據的安全性。因此所有復制或備份方法的缺點，此類系統(tǒng)全部存在。
e. 由于數據庫系統(tǒng)本身具有高I/O的特性，因此，RAC系統(tǒng)里，磁盤I/O是提高性能的關鍵地方。
f. 依據不同的數據庫應用，有的性能有所提升，有的性能可能會反而下降。
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文章標題：數據庫集群同步技術原理簡析(數據庫集群同步)
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