分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现

系统 1823 0

      在实际生产开发中,遇到一些多节点共存,需要选主,并且要实现HA自动容错的场景,思考了写方法拿出来和大家分享一下。

 

  1. Lease协议,Mysql ACID
  2. 高可用选主方案设计
  3. 适用场景
  4. Java语言实现描述
  5. 进一步优化

      系统中有很多应用场景要类似主从架构,主服务器(Master)对外提供服务,从服务器(Salve)热备份,不提供服务但随时活着,如果Master出现宕机或者网络问题,Slave即可接替Master对外服务,并由Slave提升为Master(新主)。典型的多节点共存, 但只能同时存在一个主,并且所有节点的状态能统一维护

      大家一定首先想到了著名的Paxos算法( http://baike.baidu.com/view/8438269.htm )。简单的说,Paxos通过每个节点的投票算法,来决议一个事情,当多余1/2个节点都投票通过时,Paxos产生一个唯一结果的决议,并通知各个节点维护这个信息。例如Paxos的选主,首先产生一个关于某个节点希望当Master的投票,然后各个节点给出反馈,最终Paxos集群维护唯一的Master的结论。Zookeeper就是Paxos的一种实现。这种场景最适合用zookeeper来选主, 但zookeeper有个明显的缺点,当存活的节点小于zookeeper集群的1/2时,就不能工作了。比如zk有10各节点,那么必须满足可用的节点大于5才可。

      在实际环境中,如果对Master要求不是那么严格的话,可以通过某些改进和取舍来达到目的。比如可能在秒级别允许Master暂时不能访问、选主时间内可能存在一定的冲突但通过再次选主即可。本人设计了一个简易的利用Mysql一致性和简易版Lease来workaround。

Mysql ACID保证了一条数据记录的一致性、完整性,不会出现多进程读写的一致性问题和唯一正确性。Lease协议(协议细节可以Google之)通过向Master发送一个lease(租期)包,Master在这个lease期之内充当主角色,如果lease期到了则再次去申请lease,如果lease期到了,但是网络除了问题,这时Master可以i主动下线,让其他节点去竞选Master。举个例子,三个节点A、B、C经过第一轮选主之后,A成为Master,它获得了10秒的lease,当前时间假设是00:00:00,那么它Master地位可以用到00:00:10,当时间到达00:00:10时,A、B、C会重新进行Master选举,每个节点都有可能成为Master(从工程的角度触发,A继续为Master的概率更大),如果这时候A的网络断了,不能联通B、C的集群了, 那么A会自动下线,不会去竞争,这样就不会出现“脑裂”的现象。

      

       ---------------------------------------------- 华丽的分割线 ----------------------------------------------

      

        设计方案如下:(server代表集群中的一台机器,也可看作一个进程,server之间是平等的)

 

  1. 各个server之间用ntpserver时间同步(保证服务器之间秒级同步即可)
  2. 各个server持有一个唯一ID号(ip+进程号),通过此id唯一标识一个server实例
  3. 各个server定义一个lease租期,单位为秒
  4. Mysql唯一表唯一一条记录维护全局Master的信息,ACID保证一致性
  5. Master Server每半个lease期向Mysql更新如上的唯一一条记录,并更新心跳,维护Master状态
  6. Slaver Server每半个lease周期从mysql获取Master Server信息,如果数据库中Master的Lease超过了当前时间(heartbeat_time+ lease > current_time),则申请当Master。

 

      这其中比较棘手的问题是:

        1、由于数据库访问和休眠的时间(lease的一半),有时延的存在,要处理Mysql异常、网络异常。

        2、可能存在同时抢占Master的server,这个时候就需要一个验证机制保证为抢到Master的server自动退位为Slaver


      下面给出图实例 :(10.0.0.1为Master)

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用

     10.0.0.1 crash了。mysql中维护的10.0.0.1的主信息已过期,其他节点去抢占

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用


      各个节点再次读取数据库,查看是否是自己抢占成功了:

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用


之后,10.0.0.3作为Master对外服务。此时如果10.0.0.1重启,可作为Slaver。如果10.0.0.1因为网络分化或者网络异常而不能维护心跳,则在超过自身lease时自动停止服务,不会出现“双Master”的现象。


      每个Server遵循如下流程:

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用


        数据库设计:

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用

        某一时刻,数据库中Master的信息:

  分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用

 

       当前时间: 45分15秒

       当前Master Lease :6秒

       当前Master Lease可用到: 45分21秒

  

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       3、适用的场景

        一 、生命周期内可使用Mysql、并且各个server之间时间同步。

        二、需要集群中选出唯一主对外提供服务,其他节点作为slaver做standby,主lease过期时竞争为Master

        三、对比zookeeper,可满足如果集群挂掉一半节点,也可正常工作的情况,比如只有一主一备。

        四、允许选主操作在秒级容错的系统,选主的时候可能有lease/2秒的时间窗口,此时服务可能不可用。

 

        五、允许lease/2秒内出现极限双Master情况,但是概率很小。


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        4、Java语言实现描述

 

          一些配置信息和时间相关、休眠周期相关的时间变量
  
            final long interval = lease / intervalDivisor;

        long waitForLeaseChallenging = 0L; 

        lease = lease / 1000L;



        long challengeFailTimes = 0L; 

        long takeRest = 0L; 

        long dbExceptionTimes = 0L; 

        long offlineTime = 0L; 

        Random rand = new Random();

        Status stateMechine = Status.START;



        long activeNodeLease = 0L; 

        long activeNodeTimeStamp = 0L; 
  


        数据库异常的处理:

 

 

                KeepAlive keepaliveNode = null;

            try {

                /* first of all get it from mysql */

                keepaliveNode = dbService.accquireAliveNode();

                if (stateMechine != Status.START && keepaliveNode==null)

                    throw new Exception();

                // recount , avoid network shake

                dbExceptionTimes = 0L;

            } catch (Exception e) {

                log.fatal("[Scanner] Database Exception with times : " + dbExceptionTimes++);

                if (stateMechine == Status.OFFLINE) {

                    log.warn("[Scanner] Database Exception , OFFLINE ");

                } else if (dbExceptionTimes >= 3) {

                    log.fatal("[Scanner] Database Exception , Node Offline Mode Active , uniqueid : " + uniqueID);

                    stateMechine = Status.OFFLINE;

                    dbExceptionTimes = 0L;

                    offlineTime = System.currentTimeMillis();

                    online = false;

                } else

                    continue;

            }
  


        总的循环和状态机的变迁:

 

 

            while (true) {



            SqlSession session = dbConnecction.openSession();

            ActionScanMapper dbService = session.getMapper(ActionScanMapper.class);



            KeepAlive keepaliveNode = null;

            try {

                /* first of all get it from mysql */

                keepaliveNode = dbService.accquireAliveNode();

                if (stateMechine != Status.START && keepaliveNode==null)

                    throw new Exception();

                // recount , avoid network shake

                dbExceptionTimes = 0L;

            } catch (Exception e) {

                log.fatal("[Scanner] Database Exception with times : " + dbExceptionTimes++);

                if (stateMechine == Status.OFFLINE) {

                    log.warn("[Scanner] Database Exception , OFFLINE ");

                } else if (dbExceptionTimes >= 3) {

                    log.fatal("[Scanner] Database Exception , Node Offline Mode Active , uniqueid : " + uniqueID);

                    stateMechine = Status.OFFLINE;

                    dbExceptionTimes = 0L;

                    offlineTime = System.currentTimeMillis();

                    online = false;

                } else

                    continue;

            }



            try {



                activeNodeLease = keepaliveNode!=null ? keepaliveNode.getLease() : activeNodeLease;

                activeNodeTimeStamp = keepaliveNode!=null ? keepaliveNode.getTimestamp() : activeNodeTimeStamp;

                takeRest = interval;



                switch (stateMechine) {

                    case START:

                        if (keepaliveNode == null) {

                            log.fatal("[START] Accquire node is null , ignore ");

                            // if no node register here , we challenge it

                            stateMechine = Status.CHALLENGE_REGISTER;

                            takeRest = 0;

                        } else {

                            // check the lease , wether myself or others 

                            if (activeNodeLease < timestampGap(activeNodeTimeStamp)) {

                                log.warn("[START] Lease Timeout scanner for uniqueid : " + uniqueID + ", timeout : "

                                            + timestampGap(activeNodeTimeStamp));

                                if (keepaliveNode.getStatus().equals(STAT_CHALLENGE))

                                    stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                                else {

                                    stateMechine = Status.CHALLENGE_MASTER;

                                    takeRest = 0;

                                }

                            } else if (keepaliveNode.getUniqueID().equals(uniqueID)) {

                                // I'am restart

                                log.info("[START] Restart Scanner for uniqueid : " + uniqueID

                                                + ", timeout : " + timestampGap(activeNodeTimeStamp));

 stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                            } else {

                                log.info("[START] Already Exist Keepalive Node with uniqueid : " + uniqueID);

                                stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                            }

                        }

                        break;

                    case HEARTBEAT:

                        /* uniqueID == keepaliveNode.uniqueID */

                        if (keepaliveNode.getUniqueID().equals(uniqueID)) {

                            if (activeNodeLease < timestampGap(activeNodeTimeStamp)) {

                                // we should challenge now , without nessesary to checkout Status[CHALLENGE]

                                log.warn("[HEARTBEAT] HEART BEAT Lease is timeout for uniqueid : " + uniqueID

                                                + ", time : " + timestampGap(activeNodeTimeStamp));

                                stateMechine = Status.CHALLENGE_MASTER;

                                takeRest = 0;

                                break;

                            } else {

                                // lease ok , just update mysql keepalive status

                                dbService.updateAliveNode(keepaliveNode.setLease(lease));

                                online = true;

                                log.info("[HEARTBEAT] update equaled keepalive node , uniqueid : " + uniqueID

                                        + ", lease : " + lease + "s, remain_usable : " +

                                        ((activeNodeTimeStamp * 1000L + lease * 1000L) - System.currentTimeMillis()) + " ms");

                            }

                        } else {

                            /* It's others , let's check lease */

                            if (activeNodeLease < timestampGap(activeNodeTimeStamp)) {

                                if (keepaliveNode.getStatus().equals(STAT_CHALLENGE)) {

                                    waitForLeaseChallenging = (long) (activeNodeLease * awaitFactor);

                                    if ((waitForLeaseChallenging) < timestampGap(activeNodeTimeStamp)) {

                                        log.info("[HEARTBEAT] Lease Expired , Diff[" + timestampGap(activeNodeTimeStamp) + "] , Lease[" + activeNodeLease + "]");

                                        stateMechine = Status.CHALLENGE_MASTER;

                                        takeRest = 0;

                                    } else {

                                        log.info("[HEARTBEAT] Other Node Challenging , We wait for a moment ...");

                                    }

                                } else {

                                    log.info("[HEARTBEAT] Lease Expired , Diff[" + timestampGap(activeNodeTimeStamp) + "] , lease[" + activeNodeLease + "]");

                                    stateMechine = Status.CHALLENGE_MASTER;

                                    takeRest = 0;

                                }

                            } else {

                                online = false;

                                log.info("[HEARTBEAT] Exist Active Node On The Way with uniqueid : "

                                                + keepaliveNode.getUniqueID() + ", lease : " + keepaliveNode.getLease());

                            }

                        }

                        break;

                    case CHALLENGE_MASTER:

                        dbService.challengeAliveNode(new KeepAlive().setUniqueID(uniqueID).setLease(lease));

                        online = false;

                        // wait for the expired node offline automatic

                        // and others also have changce to challenge

takeRest = activeNodeLease;

                        stateMechine = Status.CHALLENGE_COMPLETE;

                        log.info("[CHALLENGE_MASTER] Other Node is timeout["

                                        + timestampGap(activeNodeTimeStamp) + "s] , I challenge with uniqueid : " + uniqueID

                                        + ", lease : " + lease + ", wait : " + lease);

                        break;

                    case CHALLENGE_REGISTER:

                        dbService.registerNewNode(new KeepAlive().setUniqueID(uniqueID).setLease(lease));

                        online = false;

                        // wait for the expired node offline automatic 

                        // and others also have changce to challenge

                        takeRest = activeNodeLease;

                        stateMechine = Status.CHALLENGE_COMPLETE;

                        log.info("[CHALLENGE_REGISTER] Regiter Keepalive uniqueid : " + uniqueID + ", lease : " + lease);

                        break;

                    case CHALLENGE_COMPLETE :

                        if (keepaliveNode.getUniqueID().equals(uniqueID)) {

                            dbService.updateAliveNode(keepaliveNode.setLease(lease));

                            online = true;

                            log.info("[CHALLENGE_COMPLETE] I Will be the Master uniqueid : " + uniqueID);

                            // make the uptime correct

                            stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                        } else {

                            online = false;

                            log.warn("[CHALLENGE_COMPLETE] So unlucky , Challenge Failed By Other Node with uniqueid : " + keepaliveNode.getUniqueID());

                            if (challengeFailTimes++ >= (rand.nextLong() % maxChallenge) + minChallenge) {

                                // need't challenge anymore in a long time

                                takeRest=maxChallengeAwaitInterval;

                                stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                                challengeFailTimes = 0L;

                                log.info("[CHALLENGE_COMPLETE] Challenge Try Times Used Up , let's take a long rest !");

                            } else {

stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                                log.info("[CHALLENGE_COMPLETE] Challenge Times : " + challengeFailTimes + ", Never Give Up , to[" + stateMechine + "]");

                            }

                        }

                        break;

                    case OFFLINE :

                        log.fatal("[Scanner] Offline Mode Node with uniqueid : " + uniqueID);

                        if (System.currentTimeMillis() - offlineTime >= maxOfflineFrozen) {

                            // I am relive forcely

                            log.info("[Scanner] I am relive to activie node  , uniqueid : " + uniqueID);

                            stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                            offlineTime = 0L;

                        } else if (keepaliveNode != null) {

                            // db is reconnected

                            stateMechine = Status.HEARTBEAT;

                            offlineTime = 0L;

                            log.info("[Scanner] I am relive to activie node  , uniqueid : " + uniqueID);

                        }

                        break;



                    default :

                        System.exit(0);

                }



                session.commit();

                session.close();



                if (takeRest != 0)

                    Thread.sleep(takeRest);



                log.info("[Scanner] State Stage [" + stateMechine + "]");



            } catch (InterruptedException e) {

                log.fatal("[System] Thread InterruptedException : " + e.getMessage());

            } finally {

                log.info("[Scanner] UniqueID : " + uniqueID + ", Mode : " + (online?"online":"offline"));

            }

        }



    }



    enum Status {

        START, HEARTBEAT, CHALLENGE_MASTER, CHALLENGE_REGISTER, CHALLENGE_COMPLETE, OFFLINE

    }
  

 

 

5 进一步的优化
 
        一、在各个系统竞争Master时,可能因为节点太多,冲突概率较大,可以通过在数据库中增加字段Status状态字段,标识是否有其他节点正在争抢Master,如果是,则可以暂停等一下,然后在尝试,如果那个节点成功抢到了Master,则会省去很多节点冲突的概率。
        
        二、由于出现很极端的情况,因为竞争Master的时间和lease时间都是固定的,则可能出现”时间轴共振“的现象,最典型的如一直在竞争Master但是一直失败,然后一直重试。所有的server在同一时刻都在赶同样的事情。可以通过增加时间随机性解决问题,如尝试抢占Master连续失败,则通过random产生随机数然后sleep,抵消共振。

 


 

分布式选主 -- 利用Mysql ACID和Lease协议实现选主和高可用


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