高可用解決方案：同城雙活？異地雙活？異地多活？

-     前言    -

后臺(tái)服務(wù)可以劃分為兩類，有狀態(tài)和無狀態(tài)。高可用對(duì)于無狀態(tài)的應(yīng)用來說是比較簡單的，無狀態(tài)的應(yīng)用，只需要通過F5或者任何代理的方式就可以很好的解決。

后文描述的主要是針對(duì)有狀態(tài)的服務(wù)進(jìn)行分析。服務(wù)端進(jìn)行狀態(tài)維護(hù)主要是通過磁盤或內(nèi)存進(jìn)行保存，比如MySQL數(shù)據(jù)庫，redis等內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。除了這兩種類型的維護(hù)方式，還有jvm的內(nèi)存的狀態(tài)維持，但jvm的狀態(tài)生命周期通常很短。

-     常見的高可用解決方案    -

高可用，從發(fā)展來看，大致經(jīng)過了這幾個(gè)過程：

• 冷備

• 雙機(jī)熱備

• 同城雙活

• 異地雙活

• 異地多活

在聊異地多活的時(shí)候，還是先看一些其他的方案，這有利于我們理解很多設(shè)計(jì)的緣由。

-     冷備    -

冷備，通過停止數(shù)據(jù)庫對(duì)外服務(wù)的能力，通過文件拷貝的方式將數(shù)據(jù)快速進(jìn)行備份歸檔的操作方式。簡而言之，冷備，就是復(fù)制粘貼，在linux上通過cp命令就可以很快完成。可以通過人為操作，或者定時(shí)腳本進(jìn)行。有如下好處：

• 簡單；
• 快速備份（相對(duì)于其他備份方式）；
• 快速恢復(fù)。只需要將備份文件拷貝回工作目錄即完成恢復(fù)過程（亦或者修改數(shù)據(jù)庫的配置，直接將備份的目錄修改為數(shù)據(jù)庫工作目錄）。更甚，通過兩次mv命令就可瞬間完成恢復(fù)；
• 可以按照時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)。比如，幾天前發(fā)生的拼多多優(yōu)惠券漏洞被人刷掉很多錢，可以根據(jù)前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行還原，“挽回?fù)p失”。

以上的好處，對(duì)于以前的軟件來說，是很好的方式。但是對(duì)于現(xiàn)如今的很多場景，已經(jīng)不好用了，因?yàn)椋?/span>

• 服務(wù)需要停機(jī)。n個(gè)9肯定無法做到了。然后，以前我們的停機(jī)冷備是在凌晨沒有人使用的時(shí)候進(jìn)行，但是現(xiàn)在很多的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)是面向全球了，所以，任何時(shí)候都是有人在使用的。
• 數(shù)據(jù)丟失。如果不采取措施，那么在完成了數(shù)據(jù)恢復(fù)后，備份時(shí)間點(diǎn)到還原時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。傳統(tǒng)的做法，是冷備還原以后，通過數(shù)據(jù)庫日志手動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)。比如通過redo日志，更甚者，我還曾經(jīng)通過業(yè)務(wù)日志去手動(dòng)回放請(qǐng)求恢復(fù)數(shù)據(jù)。恢復(fù)是極大的體力活，錯(cuò)誤率高，恢復(fù)時(shí)間長。
• 冷備是全量備份。全量備份會(huì)造成磁盤空間浪費(fèi)，以及容量不足的問題，只能通過將備份拷貝到其他移動(dòng)設(shè)備上解決。所以，整個(gè)備份過程的時(shí)間其實(shí)更長了。想象一下每天拷貝幾個(gè)T的數(shù)據(jù)到移動(dòng)硬盤上，需要多少移動(dòng)硬盤和時(shí)間。并且，全量備份是無法定制化的，比如只備份某一些表，是無法做到的。

如何權(quán)衡冷備的利弊，是每個(gè)業(yè)務(wù)需要考慮的。

-     雙機(jī)熱備    -

熱備，和冷備比起來，主要的差別是不用停機(jī)，一邊備份一邊提供服務(wù)。但還原的時(shí)候還是需要停機(jī)的。由于我們討論的是和存儲(chǔ)相關(guān)的，所以不將共享磁盤的方式看作雙機(jī)熱備。

Active/Standby模式

相當(dāng)于1主1從，主節(jié)點(diǎn)對(duì)外提供服務(wù)，從節(jié)點(diǎn)作為backup。通過一些手段將數(shù)據(jù)從主節(jié)點(diǎn)同步到從節(jié)點(diǎn)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，將從節(jié)點(diǎn)設(shè)置為工作節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)同步的方式可以是偏軟件層面，也可以是偏硬件層面的。

偏軟件層面的，比如mysql的master/slave方式，通過同步binlog的方式；sqlserver的訂閱復(fù)制方式。

偏硬件層面，通過扇區(qū)和磁盤的攔截等鏡像技術(shù)，將數(shù)據(jù)拷貝到另外的磁盤。偏硬件的方式，也被叫做數(shù)據(jù)級(jí)災(zāi)備；偏軟件的，被叫做應(yīng)用級(jí)災(zāi)備。后文談得更多的是應(yīng)用級(jí)災(zāi)備。

-     雙機(jī)互備    -

本質(zhì)上還是Active/Standby，只是互為主從而已。雙機(jī)互備并不能工作于同一個(gè)業(yè)務(wù)，只是在服務(wù)器角度來看，更好的壓榨了可用的資源。比如，兩個(gè)業(yè)務(wù)分別有庫A和B，通過兩個(gè)機(jī)器P和Q進(jìn)行部署。那么對(duì)于A業(yè)務(wù)，P主Q從，對(duì)于B業(yè)務(wù)，Q主P從。整體上看起來是兩個(gè)機(jī)器互為主備。這種架構(gòu)下，讀寫分離是很好的，單寫多讀，減少?zèng)_突又提高了效率。

其他的高可用方案還可以參考各類數(shù)據(jù)庫的多種部署模式，比如mysql的主從、雙主多從、MHA；redis的主從，哨兵，cluster等等。

-     同城雙活    -

前面講到的幾種方案，基本都是在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行的。業(yè)務(wù)發(fā)展到后面，有了同城多活的方案。和前面比起來，不信任的粒度從機(jī)器轉(zhuǎn)為了機(jī)房。這種方案可以解決某個(gè)IDC機(jī)房整體掛掉的情況（停電，斷網(wǎng)等）。

同城雙活其實(shí)和前文提到的雙機(jī)熱備沒有本質(zhì)的區(qū)別，只是“距離”更遠(yuǎn)了，基本上還是一樣（同城專線網(wǎng)速還是很快的）。雙機(jī)熱備提供了災(zāi)備能力，雙機(jī)互備避免了過多的資源浪費(fèi)。

在程序代碼的輔助下，有的業(yè)務(wù)還可以做到真正的雙活，即同一個(gè)業(yè)務(wù)，雙主，同時(shí)提供讀寫，只要處理好沖突的問題即可。需要注意的是，并不是所有的業(yè)務(wù)都能做到。

業(yè)界更多采用的是兩地三中心的做法。遠(yuǎn)端的備份機(jī)房能更大的提供災(zāi)備能力，能更好的抵抗地震，恐襲等情況。雙活的機(jī)器必須部署到同城，距離更遠(yuǎn)的城市作為災(zāi)備機(jī)房。災(zāi)備機(jī)房是不對(duì)外提供服務(wù)的，只作為備份使用，發(fā)生故障了才切流量到災(zāi)備機(jī)房；或者是只作為數(shù)據(jù)備份。原因主要在于：距離太遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)延遲太大。

如上圖，用戶流量通過負(fù)載均衡，將服務(wù)A的流量發(fā)送到IDC1，服務(wù)器集A；將服務(wù)B的流量發(fā)送到IDC2，服務(wù)器B；同時(shí)，服務(wù)器集a和b分別從A和B進(jìn)行同城專線的數(shù)據(jù)同步，并且通過長距離的異地專線往IDC3進(jìn)行同步。當(dāng)任何一個(gè)IDC當(dāng)機(jī)時(shí)，將所有流量切到同城的另一個(gè)IDC機(jī)房，完成了failover。

當(dāng)城市1發(fā)生大面積故障時(shí)，比如發(fā)生地震導(dǎo)致IDC1和2同時(shí)停止工作，則數(shù)據(jù)在IDC3得以保全。同時(shí)，如果負(fù)載均衡仍然有效，也可以將流量全部轉(zhuǎn)發(fā)到IDC3中。不過，此時(shí)IDC3機(jī)房的距離非常遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)延遲變得很嚴(yán)重，通常用戶的體驗(yàn)的會(huì)受到嚴(yán)重影響的。

上圖是一種基于Master-Slave模式的兩地三中心示意圖。城市1中的兩個(gè)機(jī)房作為1主1從，異地機(jī)房作為從。也可以采用同城雙主+keepalived+vip的方式，或者M(jìn)HA的方式進(jìn)行failover。但城市2不能（最好不要）被選擇為Master。

-     異地雙活    -

同城雙活可以應(yīng)對(duì)大部分的災(zāi)備情況，但是碰到大面積停電，或者自然災(zāi)害的時(shí)候，服務(wù)依然會(huì)中斷。對(duì)上面的兩地三中心進(jìn)行改造，在異地也部署前端入口節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用，在城市1停止服務(wù)后將流量切到城市2，可以在降低用戶體驗(yàn)的情況下，進(jìn)行降級(jí)。但用戶的體驗(yàn)下降程度非常大。

所以大多數(shù)的互聯(lián)網(wǎng)公司采用了異地雙活的方案。

上圖是一個(gè)簡單的異地雙活的示意圖。流量經(jīng)過LB后分發(fā)到兩個(gè)城市的服務(wù)器集群中，服務(wù)器集群只連接本地的數(shù)據(jù)庫集群，只有當(dāng)本地的所有數(shù)據(jù)庫集群均不能訪問，才failover到異地的數(shù)據(jù)庫集群中。

在這種方式下，由于異地網(wǎng)絡(luò)問題，雙向同步需要花費(fèi)更多的時(shí)間。更長的同步時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的吞吐量下降，或者出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突的情況。吞吐量和沖突是兩個(gè)對(duì)立的問題，你需要在其中進(jìn)行權(quán)衡。例如，為了解決沖突，引入分布式鎖/分布式事務(wù)；為了解決達(dá)到更高的吞吐量，利用中間狀態(tài)、錯(cuò)誤重試等手段，達(dá)到最終一致性；降低沖突，將數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膕harding，盡可能在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中完成整個(gè)事務(wù)。

對(duì)于一些無法接受最終一致性的業(yè)務(wù)，餓了么采用的是下圖的方式：

對(duì)于個(gè)別一致性要求很高的應(yīng)用，我們提供了一種強(qiáng)一致的方案（Global Zone），Globa Zone是一種跨機(jī)房的讀寫分離機(jī)制，所有的寫操作被定向到一個(gè) Master 機(jī)房進(jìn)行，以保證一致性，讀操作可以在每個(gè)機(jī)房的 Slave庫執(zhí)行，也可以 bind 到 Master 機(jī)房進(jìn)行，這一切都基于我們的數(shù)據(jù)庫訪問層（DAL）完成，業(yè)務(wù)基本無感知。

也就是說，在這個(gè)區(qū)域是不能進(jìn)行雙活的。采用主從而不是雙寫，自然解決了沖突的問題。

實(shí)際上，異地雙活和異地多活已經(jīng)很像了，雙活的結(jié)構(gòu)更為簡單，所以在程序架構(gòu)上不用做過多的考慮，只需要做傳統(tǒng)的限流，failover等操作即可。但其實(shí)雙活只是一個(gè)臨時(shí)的步驟，最終的目的是切換到多活。因?yàn)殡p活除了有數(shù)據(jù)沖突上的問題意外，還無法進(jìn)行橫向擴(kuò)展。

-     異地多活    -

根據(jù)異地雙活的思路，我們可以畫出異地多活的一種示意圖。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的出度和入度都是4，在這種情況下，任何節(jié)點(diǎn)下線都不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)有影響。但是，考慮到距離的問題，一次寫操作將帶來更大的時(shí)間開銷。時(shí)間開銷除了影響用戶體驗(yàn)以外，還帶來了更多的數(shù)據(jù)沖突。在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)沖突下，使用分布式鎖的代價(jià)也更大。這將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度上升，吞吐量下降。所以上圖的方案是無法使用的。

回憶一下我們?cè)诮鉀Q網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)候是怎么優(yōu)化的？引入中間節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)狀改為星狀：

改造為上圖后，每個(gè)城市下線都不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成影響。對(duì)于原有請(qǐng)求城市的流量，會(huì)被重新LoadBalance到新的節(jié)點(diǎn)（最好是LB到最近的城市）。為了解決數(shù)據(jù)安全的問題，我們只需要針對(duì)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理即可。但是這樣，對(duì)于中心城市的要求，比其他城市會(huì)更高。比如恢復(fù)速度，備份完整性等，這里暫時(shí)不展開。我們先假定中心是完全安全的。

如果我們已經(jīng)將異地多活的業(yè)務(wù)部署為上圖的結(jié)構(gòu)，很大程度解決了數(shù)據(jù)到處同步的問題，不過依然會(huì)存在大量的沖突，沖突的情況可以簡單認(rèn)為和雙活差不多。那么還有沒有更好的方式呢？

回顧一下前文提到的餓了么的GlobalZone方案，總體思路就是“去分布式”，也就是說將寫的業(yè)務(wù)放到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的（同城）機(jī)器上。阿里是這么思考的：

實(shí)際上我猜測很多業(yè)務(wù)也是按照上圖去實(shí)現(xiàn)的，比如滴滴打車業(yè)務(wù)這種，所有的業(yè)務(wù)都是按城市劃分開的。用戶、車主、目的地，他們的經(jīng)緯度通常都是在同一個(gè)城市的。單個(gè)數(shù)據(jù)中心并不需要和其他數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，只有在統(tǒng)計(jì)出報(bào)表的時(shí)候才需要，但報(bào)表是不太注重實(shí)時(shí)性的。那么，在這種情況下，全國的業(yè)務(wù)其實(shí)可以被很好的sharding的。

但是對(duì)于電商這種復(fù)雜的場景和業(yè)務(wù)，按照前文說的方式進(jìn)行sharding已經(jīng)無法滿足需求了。因?yàn)闃I(yè)務(wù)線非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)依賴也非常復(fù)雜，每個(gè)數(shù)據(jù)中心相互進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的情況無可避免。淘寶的解決方式和我們切分微服務(wù)的方式有點(diǎn)類似：

注意看圖中的數(shù)據(jù)同步箭頭。以交易單元為例，屬于交易單元的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，將與中心單元進(jìn)行雙向同步；不屬于交易單元的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，單向從中心單元同步。中心單元承擔(dān)了最復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，業(yè)務(wù)單元承擔(dān)了相對(duì)單一的場景。對(duì)于業(yè)務(wù)單元，可以進(jìn)行彈性伸縮和容災(zāi)；對(duì)于中心單元，擴(kuò)展能力較差，穩(wěn)定性要求更高。可以遇見，大部分的故障都會(huì)出現(xiàn)在中心單元。

按照業(yè)務(wù)進(jìn)行單元切分，已經(jīng)需要對(duì)代碼和架構(gòu)進(jìn)行徹底的改造了（可能這也是為什么阿里要先從雙活再切到多活，歷時(shí)3年）。比如，業(yè)務(wù)拆分，依賴拆分，網(wǎng)狀改星狀，分布式事務(wù)，緩存失效等。除了對(duì)于編碼的要求很高以外，對(duì)測試和運(yùn)維也有非常大的挑戰(zhàn)。如此復(fù)雜的情況，如何進(jìn)行自動(dòng)化覆蓋，如何進(jìn)行演練，如何改造流水線。這種級(jí)別的災(zāi)備，不是一般公司敢做的，投入產(chǎn)出也不成正比。不過還是可以把這種場景當(dāng)作我們的“假想敵”，去思考我們自己的業(yè)務(wù)，未來會(huì)怎么發(fā)展，需要做到什么級(jí)別的災(zāi)備。相對(duì)而言，餓了么的多活方案可能更適合大多數(shù)的企業(yè)。

本文只是通過畫圖的方式進(jìn)行了簡單的描述，其實(shí)異地多活是需要很多很強(qiáng)大的基礎(chǔ)能力的。比如，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)校驗(yàn)，數(shù)據(jù)操作層（簡化客戶端控制寫和同步的過程）等。

-     思考    -

文末，留幾個(gè)問題大家可以思考一下：

• 假設(shè)你在做餓了么的開發(fā)，服務(wù)按照異地多活方式部署，sharding key根據(jù)省市區(qū)進(jìn)行分片。假設(shè)買家在多個(gè)城市交匯的地方，比如，十字路口的四個(gè)位置分別是4個(gè)城市，那么如何處理才能讓他拉到比較正常的數(shù)據(jù)？
• 你們現(xiàn)在的業(yè)務(wù)模塊中，哪些業(yè)務(wù)是可以做多活的，哪些無法做多活？
• 所有的業(yè)務(wù)都要做多活嗎？還是只需要核心業(yè)務(wù)做多活？

作者：Dong GuoChao

來源：https://blog.dogchao.cn/?p=299