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同城多数据中心部署 TiDB

作为 NewSQL 数据库，TiDB 兼顾了传统关系型数据库的优秀特性、NoSQL 数据库可扩展性以及跨数据中心场景下的高可用。本文档旨在介绍同城多数据中心部署 TiDB 方案。

了解 Raft 协议

Raft 是一种分布式一致性算法，在 TiDB 集群的多种组件中，PD 和 TiKV 都通过 Raft 实现了数据的容灾。Raft 的灾难恢复能力通过如下机制实现：

  • Raft 成员的本质是日志复制和状态机。Raft 成员之间通过复制日志来实现数据同步；Raft 成员在不同条件下切换自己的成员状态，其目标是选出 leader 以提供对外服务。
  • Raft 是一个表决系统，它遵循多数派协议，在一个 Raft Group 中，某成员获得大多数投票，它的成员状态就会转变为 leader。也就是说，当一个 Raft Group 还保有大多数节点 (majority) 时，它就能够选出 leader 以提供对外服务。

遵循 Raft 可靠性的特点，放到现实场景中：

  • 想克服任意 1 台服务器 (host) 的故障，应至少提供 3 台服务器。
  • 想克服任意 1 个机柜 (rack) 的故障，应至少提供 3 个机柜。
  • 想克服任意 1 个数据中心（dc，又称机房）的故障，应至少提供 3 个数据中心。
  • 想应对任意 1 个城市的灾难场景，应至少规划 3 个城市用于部署。

可见，原生 Raft 协议对于偶数副本的支持并不是很友好，考虑跨城网络延迟影响，或许同城三数据中心是最适合部署 Raft 的高可用及容灾方案。

同城三数据中心方案

同城三数据中心方案，即同城存有三个机房部署 TiDB 集群，同城三数据中心间的数据同步通过集群自身内部（Raft 协议）完成。同城三数据中心可同时对外进行读写服务，任意中心发生故障不影响数据一致性。

简易架构图

集群 TiDB、TiKV 和 PD 组件分别分布在 3 个不同的数据中心，这是最常规且高可用性最高的方案。

三中心部署

优点：

  • 所有数据的副本分布在三个数据中心，具备高可用和容灾能力
  • 任何一个数据中心失效后，不会产生任何数据丢失 (RPO = 0)
  • 任何一个数据中心失效后，其他两个数据中心会自动发起 leader election，并在合理长的时间内（通常情况 20s 以内）自动恢复服务

三中心部署容灾

缺点：

性能受网络延迟影响。具体影响如下：

  • 对于写入的场景，所有写入的数据需要同步复制到至少 2 个数据中心，由于 TiDB 写入过程使用两阶段提交，故写入延迟至少需要 2 倍数据中心间的延迟。
  • 对于读请求来说，如果数据 leader 与发起读取的 TiDB 节点不在同一个数据中心，也会受网络延迟影响。
  • TiDB 中的每个事务都需要向 PD leader 获取 TSO，当 TiDB 与 PD leader 不在同一个数据中心时，它上面运行的事务也会因此受网络延迟影响，每个有写入的事务会获取两次 TSO。

架构优化图

如果不需要每个数据中心同时对外提供服务，可以将业务流量全部派发到一个数据中心，并通过调度策略把 Region leader 和 PD leader 都迁移到同一个数据中心。这样一来，不管是从 PD 获取 TSO，还是读取 Region，都不会受数据中心间网络的影响。当该数据中心失效后，PD leader 和 Region leader 会自动在其它数据中心选出，只需要把业务流量转移至其他存活的数据中心即可。

三中心部署读性能优化

优点：

集群 TSO 获取能力以及读取性能有所提升。具体调度策略设置模板参照如下：

-- 其他机房统一驱逐 leader 到业务流量机房
config set label-property reject-leader LabelName labelValue

-- 迁移 PD leader 并设置优先级
member leader transfer pdName1
member leader_priority pdName1 5
member leader_priority pdName2 4
member leader_priority pdName3 3

缺点：

  • 写入场景仍受数据中心网络延迟影响，这是因为遵循 Raft 多数派协议，所有写入的数据需要同步复制到至少 2 个数据中心
  • TiDB Server 数据中心级别单点
  • 业务流量纯走单数据中心，性能受限于单数据中心网络带宽压力
  • TSO 获取能力以及读取性能受限于业务流量数据中心集群 PD、TiKV 组件是否正常，否则仍受跨数据中心网络交互影响

样例部署图

样例拓扑架构

下面假设某城存有 IDC1、IDC2、IDC3 三机房，机房 IDC 中存有两套机架，每个机架存有三台服务器，不考虑混布以及单台机器多实例部署下，同城三数据中心架构集群（3 副本）部署参考如下：

同城三数据中心集群部署

TiKV Labels 简介

TiKV 是一个 Multi-Raft 系统，其数据按 Region（默认 96M）切分，每个 Region 的 3 个副本构成了一个 Raft Group。假设一个 3 副本 TiDB 集群，由于 Region 的副本数与 TiKV 实例数量无关，则一个 Region 的 3 个副本只会被调度到其中 3 个 TiKV 实例上，也就是说即使集群扩容 N 个 TiKV 实例，其本质仍是一个 3 副本集群。

由于 3 副本的 Raft Group 只能容忍 1 副本故障，当集群被扩容到 N 个 TiKV 实例时，这个集群依然只能容忍一个 TiKV 实例的故障。2 个 TiKV 实例的故障可能会导致某些 Region 丢失多个副本，整个集群的数据也不再完整，访问到这些 Region 上的数据的 SQL 请求将会失败。而 N 个 TiKV 实例中同时有两个发生故障的概率是远远高于 3 个 TiKV 中同时有两个发生故障的概率的，也就是说 Multi-Raft 系统集群扩容 TiKV 实例越多，其可用性是逐渐降低的。

正因为 Multi-Raft TiKV 系统局限性， Labels 标签应运而出，其主要用于描述 TiKV 的位置信息。Label 信息随着部署或滚动更新操作刷新到 TiKV 的启动配置文件中，启动后的 TiKV 会将自己最新的 Label 信息上报给 PD，PD 根据用户登记的 Label 名称（也就是 Label 元信息），结合 TiKV 的拓扑进行 Region 副本的最优调度，从而提高系统可用性。

TiKV Labels 样例规划

针对 TiKV Labels 标签，你需要根据已有的物理资源、容灾能力容忍度等方面进行设计与规划，进而提升系统的可用性和容灾能力。并根据已规划的拓扑架构，在集群初始化配置文件中进行配置（此处省略其他非重点项）：

server_configs:
  pd:
    replication.location-labels: ["zone","dc","rack","host"]
    
tikv_servers:
  - host: 10.63.10.30
    config:
      server.labels: { zone: "z1", dc: "d1", rack: "r1", host: "30" }
  - host: 10.63.10.31
    config:
      server.labels: { zone: "z1", dc: "d1", rack: "r1", host: "31" }
  - host: 10.63.10.32
    config:
      server.labels: { zone: "z1", dc: "d1", rack: "r2", host: "32" }
  - host: 10.63.10.33
    config:
      server.labels: { zone: "z1", dc: "d1", rack: "r2", host: "33" }

  - host: 10.63.10.34
    config:
      server.labels: { zone: "z2", dc: "d1", rack: "r1", host: "34" }
  - host: 10.63.10.35
    config:
      server.labels: { zone: "z2", dc: "d1", rack: "r1", host: "35" }
  - host: 10.63.10.36
    config:
      server.labels: { zone: "z2", dc: "d1", rack: "r2", host: "36" }
  - host: 10.63.10.37
    config:
      server.labels: { zone: "z2", dc: "d1", rack: "r2", host: "37" }

  - host: 10.63.10.38
    config:
      server.labels: { zone: "z3", dc: "d1", rack: "r1", host: "38" }
  - host: 10.63.10.39
    config:
      server.labels: { zone: "z3", dc: "d1", rack: "r1", host: "39" }
  - host: 10.63.10.40
    config:
      server.labels: { zone: "z3", dc: "d1", rack: "r2", host: "40" }
  - host: 10.63.10.41
    config:
      server.labels: { zone: "z3", dc: "d1", rack: "r2", host: "41" }

本例中，zone 表示逻辑可用区层级，用于控制副本的隔离（当前集群 3 副本）。

不直接采用 dc，rack，host 三层 Label 结构的原因是考虑到将来可能发生 dc（数据中心）的扩容，假设新扩容的 dc 编号是 d2，d3，d4，则只需在对应可用区下扩容 dc；rack 扩容只需在对应 dc 下扩容即可。

如果直接采用 dc，rack，host 三层 Label 结构，那么扩容 dc 操作可能需重打 Label，TiKV 数据整体需要 Rebalance。

高可用和容灾分析

同城多数据中心方案提供的保障是，任意一个数据中心故障时，集群能自动恢复服务，不需要人工介入，并能保证数据一致性。注意，各种调度策略都是用于帮助性能优化的，当发生故障时，调度机制总是第一优先考虑可用性而不是性能。

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