背景

在单集群部署环境下，OpenMLDB 具备集群内节点级别的高可用能力。但若受到机房断电或者自然灾害等不可抗拒因素，则将造成的机房或大部分节点无法正常运转的情况，从而引发该集群状态异常，导致在线服务中断。为此，OpenMLDB 提供了一个跨机房容灾方案来解决该问题。在该方案中，用户可以在多个异地机房，分别部署独立的 OpenMLDB 集群，并且将这多套 OpenMLDB 集群设置成为主从复制模式。在这种部署架构下，如果主集群无法提供服务，用户可以进行主从切换，从而保证业务不中断。

架构

名词定义

• 主集群：能支持读写的集群，并且可以给从集群同步数据。一个主集群可以有多个从集群。
• 从集群：只提供读请求的集群，数据和主集群保持一致；可以在需要的时候切换为主集群；可以部署多个。
• 分片 leader：主分片，接收读写数据。
• 分片 follower：从分片，只接受分片 leader 同步过来的数据，目前不接受客户端的直接写请求。
• offset：本文 offset 特指 OpenMLDB 的 binlog 所保存的数据偏移量，该值越大，说明保存有更多的新鲜数据。

关于名词的进一步解释可以查看 OpenMLDB 的在线模块架构文档：

目标

• 主集群支持写操作，主从集群都可以支持读操作
• 一个主集群可以有多个从集群作为备份
• 主集群出现意外不可用时能够手动切换，让其中一个从集群提升为主集群
• 能够自动处理主集群或者从集群内部节点下线不可用（包括 nameserver 和 tablet）的情况

技术方案

主从集群的整体技术架构如下图所示：

主从集群之间的同步信息，主要包含数据同步和元信息同步两部分。

初始状态

对于主从集群的初始状态，可以为以下状态之一：

• 主集群和从集群的数据均为空
• 主或从集群不为空，主从集群的表名以及 schema 一致，并且主集群 offset 大于等于从集群的 offset，否则会报错。

元信息同步

元信息同步发生在主从集群的 nameserver 之间。具体的过程如下：

• 建立好主从关系之后，主集群的 nameserver 会向从集群同步主集群的表信息，从集群创建相应的表。注意，主从集群节点数不需要一致，但是每张表的分片数需要保持一致。
• 主集群的 nameserver 每隔一段时间获取从集群的表拓扑信息

数据同步

主从集群之间的数据同步主要通过 binlog 进行，其总体的同步逻辑如下：

• 单集群内部：leader → followers 同步数据
• 主从集群之间：主集群 leader → 从集群 leader 同步数据
  下图可视化列举了该同步逻辑和数据流方向。
  
  假设有一个从集群，表为三副本。其具体过程为：主集群分片的 leader 会创建两个 replicator 线程来负责集群内部数据同步，以及 1 个 replicator 线程来负责同步数据到从集群的 leader；从集群的 leader 会创建两个 replicator 线程，分别给从集群内部的 followers 同步数据。
  replicator 的具体同步逻辑如下：
• 读取 binlog 并把数据传给 follower
• follower 收到数据，添加到本地 binlog，同时写到本地分片表中
  默认情况下，replicator 会不断读取最新的 binlog，如果没有最新数据写入就会等待一小段时间（默认为 100ms），再尝试读取。在同步时效性要求比较高的场景下，可以修改默认配置（参数 binlog_sync_wait_time，详见文档配置文件），减少等待时间，但是可能会增加 CPU 的资源消耗。

集群内部自动故障转移

主集群 nameserver 离线

• 主集群中主 namserver 离线之后，主集群中的备 nameserver 就会升级为主 nameserver，更新从集群中表的拓扑信息到新的主 nameserver
• 主集群中备 nameserver 离线，不做任何操作

从集群 nameserver 离线

• 从集群中主 nameserver 离线之后，从集群中的备 nameserver 就会升级为主 nameserver。主集群向从集群获取表拓扑信息时，返回错误，主集群就会读取从集群的 ZooKeeper 信息，以获取最新的主 nameserver，然后更新表拓扑信息
• 从集群中备 nameserver 离线之后不做任何操作

主集群 tablet 离线

• 主集群内做故障转移，相应的分片选出新的 leader
• 新的 leader 重新和从集群中分片所在的 tablet 建立数据同步关系

从集群 tablet 离线

• 从集群做故障转移，相应的分片选出新的 leader
• 主集群 nameserver 获取从集群表拓扑结构发现已经有变化，删除对应变化分片的数据同步关系并重新建立

主从集群间手动故障转移

主集群不可用
通过运维命令，提升从集群为主集群。同时，业务方的写流量和读流量需要切换到当前的新的主集群下，该流量的切换过程需要由业务方系统来完成。
从集群不可用
业务方原有在从集群上的读流量（如果有），需要全部切换到主集群下。该流量的切换过程需要由业务方系统来完成。

主从集群搭建实践

集群启动后默认为主集群。通过命令可以将一个集群添加为另一个集群的从集群，或者进行切换、移除。

启动 NS client

主从集群的管理在 NS client 下进行操作，可以使用如下命令启动 NS client。

$ ./bin/openmldb --zk_cluster=172.27.2.52:12200 --zk_root_path=/onebox --role=ns_client

其中  zk_cluster 是 ZooKeeper 地址， zk_root_path 是集群在 ZooKeeper 的根路径， role 是启动的角色需指定为  ns_client

关于 NS client 的更多信息，可以参考运维 CLI。

添加从集群

可以使用命令  addrepcluster 来添加一个从集群，其使用格式为：

addrepcluster $zk_cluster_follower $zk_root_path_follower $cluster_alias

比如需要添加的从集群的 ZooKeeper 地址为  10.1.1.1:2181，OpenMLDB 在该 ZooKeeper 上的根路径为  10.1.1.2:2181 /openmldb_cluster，添加以后的从集群别名为  prod_dc01，则可以在主集群的 NS client 上执行如下命令进行从集群的添加：

addrepcluster 10.1.1.1:2181,10.1.1.2:2181 /openmldb_cluster  prod_dc01

移除从集群

可以执行命令  removerepcluster 来删除一个从集群，比如删除上面添加的从集群  prod_dc01：

removerepcluster prod_dc01

切换集群角色

switchmode 命令可以修改集群的角色。参数可以为  leader 或者  normal。如果需要把从集群提升成主集群，参数设置为 leader。如果要修改为普通的集群，参数设置为 normal。

switchmode leader

查看从集群

showrepcluster 命令可以查询所有从集群，输出结果类似：

FAQ

Q1: 如何解决分布式的“脑裂”问题？

A1:在分布式环境中，经常会遇到“脑裂”问题。所谓脑裂，简单来说就是在某些非正常状态下（比如由于网络阻塞），两个集群选举出了不同的 leader。Raft 之类的一致性协议能很好的解决类似问题，如要求 leader 必须获取半数以上的投票。
OpenMLDB 的选主和这些协议不太一样，OpenMLDB 是由 ZooKeeper 和 nameserver 来选主的。节点是否下线通过 ZooKeeper 中 ephemeral node 实现，nameserver 选主的时候从该集群的所有 follower 中选择 offset 最大的一个作为新的 leader，所以本质上来说 OpenMLDB 的主从集群方案不会出现脑裂的问题。

Q2: 如何判断主集群不可用，需要进行主从切换？

A2: 目前 OpenMLDB 在集群整体不可用的状态上并不会自动判断或自动切换，设计主从集群方案主要是为了应对如机房断电等重大事故。
因此目前需要人为主观去判断主集群是否处于不可用状态，从而需要进行主从切换。造成主集群不可用的常见原因如：整个集群的服务器不可抗拒原因无法访问、ZooKeeper 无法恢复、部分 tablet 下线导致无法恢复或者恢复时间过长等。

Q3: 是否可能在某些情况下会数据丢失？

A3: 虽然主从集群方案增加了多一层的高可用机制，但是也不能保证数据完全不丢失，以下情况依然会出现数据丢失，相关问题均会在后续版本进行修复或者优化：

• 主集群内部 tablets failover 后，新选出来的 leader 的 offset 比从集群中的 leader 的 offset 小，会造成两者 offset 差值之间的这部分数据丢失
• 主从切换过程中，如果主集群有写流量，那么可能会造成部分未及时从原有主集群同步到从集群的数据丢失
• 从集群表格拓扑发生变化，并且主集群尚未捕获，此时如果执行主从切换，会造成从拓扑结构发生变化到切换成功之间的数据丢失

Q4: 是否可以支持多个从集群

A4: 一个主集群可以支持多个从集群，只要在主集群上执行添加从集群命令 addrepcluster 进行添加即可。

Q5: 和业界其他主从集群方案的比较？

A5: 

列举了两个业界常用数据库作为比较 —— TiDB 和 MySQL，OpenMLDB 的做法和这两个在架构上比较相似。TiDB 将数据从 TiKV 传到 TiFlash 也是通过类似方式完成的，TiFlash 有一个 Learner 的概念类似于 OpenMLDB 从集群的 leader。TiKV 会把数据同步到 Learner 上面，然后再由 Learner 去做集群内的数据同步。MySQL 的主从复制，跟我们做法也是类似的，它也是通过 binlog，将数据定期地同步到从集群上面，从集群再进行 binlog 的集群内读取和同步。

开发进度

目前主从集群方案在实验阶段，其核心功能都已经开发完毕，并且进行了充分的测试。目前主要遗留问题为：

• SQL 命令目前只有创建表、删除表、以及数据插入操作可以主从集群自动同步，其余命令（比如 SQL 上线，修改 TTL 等）目前尚不支持自动同步，需要手动在主从集群上分别执行。