双区域多 AZ 部署 TiDB

本文档简要介绍双区域多可用区 (Availability Zone, AZ) 部署的架构模型及配置。

本文中的区域指的是地理隔离的不同位置,AZ 指的是区域内部划分的相互独立的资源集合,本文描述的方案同样适用于在两个城市部署三个数据中心(两地三中心)的场景。

简介

双区域多 AZ 架构,即生产数据 AZ、同区域灾备 AZ、跨区域灾备 AZ 的高可用容灾方案。在这种模式下,两个区域的三个 AZ 互联互通,如果一个 AZ 发生故障或灾难,其他 AZ 可以正常运行并对关键业务或全部业务实现接管。相比同区域多 AZ 方案,双区域三 AZ 具有跨区域级高可用能力,可以应对区域级自然灾害。

TiDB 分布式数据库采用 Raft 算法,可以原生支持双区域三 AZ 架构,并保证集群数据的一致性和高可用。而且,同区域 AZ 网络延迟相对较小,可以把业务流量同时派发到同区域两个 AZ,并通过控制 Region Leader 和 PD Leader 分布实现同区域 AZ 共同负载业务流量。

架构

本文以北京和西安部署集群为例,阐述 TiDB 分布式数据库双区域三 AZ 架构的部署模型。

假设北京有两个 AZ,AZ1 和 AZ2,西安有一个 AZ,AZ3。北京同区域两 AZ 之间网络延迟低于 3 ms,北京与西安之间的网络使用 ISP 专线,延迟约为 20 ms。

下图为集群部署架构图,具体如下:

  • 集群采用双区域三 AZ 部署方式,分别为北京 AZ1,北京 AZ2,西安 AZ3。
  • 集群采用 5 副本模式,其中 AZ1 和 AZ2 分别放 2 份副本,AZ3 放 1 份副本;TiKV 按机柜设置 Label,即每个机柜上有 1 份副本。
  • 副本间通过 Raft 协议保证数据的一致性和高可用,对用户完全透明。

双区域三 AZ 集群架构图

该架构具备高可用能力,同时通过 PD 调度保证 Region Leader 只出现在同区域的两个 AZ。相比于三 AZ,即 Region Leader 分布不受限制的方案,双区域三 AZ 方案有以下优缺点:

  • 优点

    • Region Leader 都在同区域 AZ,延迟低,数据写入速度更优。
    • 双 AZ 可同时对外提供服务,资源利用率更高。
    • 任一 AZ 失效后,另一 AZ 接管服务,业务可用并且不发生数据丢失。
  • 缺点

    • 因为数据一致性是基于 Raft 算法实现,当同区域两个 AZ 同时失效时,因为远程灾备 AZ 只剩下一份副本,不满足 Raft 算法大多数副本存活的要求。最终将导致集群暂时不可用,需要从一副本恢复集群,丢失少部分还没同步的热数据。这种情况出现概率较小。
    • 由于使用了网络专线,该架构下网络设施成本较高。
    • 双区域三 AZ 需设置 5 副本,数据冗余度增加,空间成本攀升。

详细示例

北京、西安双区域三 AZ 配置详解:

双区域三 AZ 配置详图

如上图所示,北京有两个可用区 AZ1 和 AZ2,可用区 AZ1 有三套机架 rac1、rac2 和 rac3,可用区 AZ2 有两套机架 rac4 和 rac5;西安可用区 AZ3 有一套机架 rac6。

AZ1 的 rac1 机架中,一台服务器部署了 TiDB 和 PD 服务,另外两台服务器部署了 TiKV 服务,其中,每台 TiKV 服务器部署了两个 TiKV 实例 (tikv-server),rac2、rac4、rac5 和 rac6 类似。

机架 rac3 上部署了 TiDB Server、中控及监控服务器。TiDB Server 用于日常管理维护和备份。中控和监控服务器上部署了 Prometheus、Grafana 以及恢复工具。

另可增加备份服务器,其上部署 Drainer,Drainer 以输出 file 文件的方式将 binlog 数据保存到指定位置,实现增量备份的目的。

配置

示例

以下为一个 tiup topology.yaml 文件示例:

# # Global variables are applied to all deployments and used as the default value of
# # the deployments if a specific deployment value is missing.
global:
  user: "tidb"
  ssh_port: 22
  deploy_dir: "/data/tidb_cluster/tidb-deploy"
  data_dir: "/data/tidb_cluster/tidb-data"

server_configs:
  tikv:
    server.grpc-compression-type: gzip
  pd:
    replication.location-labels:  ["dc","zone","rack","host"]

pd_servers:
  - host: 10.63.10.10
    name: "pd-10"
  - host: 10.63.10.11
    name: "pd-11"
  - host: 10.63.10.12
    name: "pd-12"
  - host: 10.63.10.13
    name: "pd-13"
  - host: 10.63.10.14
    name: "pd-14"

tidb_servers:
  - host: 10.63.10.10
  - host: 10.63.10.11
  - host: 10.63.10.12
  - host: 10.63.10.13
  - host: 10.63.10.14

tikv_servers:
  - host: 10.63.10.30
    config:
      server.labels: { az: "1", replication zone: "1", rack: "1", host: "30" }
  - host: 10.63.10.31
    config:
      server.labels: { az: "1", replication zone: "2", rack: "2", host: "31" }
  - host: 10.63.10.32
    config:
      server.labels: { az: "2", replication zone: "3", rack: "3", host: "32" }
  - host: 10.63.10.33
    config:
      server.labels: { az: "2", replication zone: "4", rack: "4", host: "33" }
  - host: 10.63.10.34
    config:
      server.labels: { az: "3", replication zone: "5", rack: "5", host: "34" }
      raftstore.raft-min-election-timeout-ticks: 1000
      raftstore.raft-max-election-timeout-ticks: 1200

monitoring_servers:
  - host: 10.63.10.60

grafana_servers:
  - host: 10.63.10.60

alertmanager_servers:
  - host: 10.63.10.60

Labels 设计

在双区域三 AZ 部署方式下,对于 Labels 的设计需要充分考虑到系统的可用性和容灾能力,建议根据部署的物理结构来定义 AZ、replication zone、rack 和 host 四个等级。

Label 逻辑定义图

PD 设置中添加 TiKV label 的等级配置。

server_configs:
  pd:
    replication.location-labels:  ["az","replication zone","rack","host"]

tikv_servers 设置基于 TiKV 真实物理部署位置的 Label 信息,方便 PD 进行全局管理和调度。

tikv_servers:
  - host: 10.63.10.30
    config:
      server.labels: { az: "1", replication zone: "1", rack: "1", host: "30" }
  - host: 10.63.10.31
    config:
      server.labels: { az: "1", replication zone: "2", rack: "2", host: "31" }
  - host: 10.63.10.32
    config:
      server.labels: { az: "2", replication zone: "3", rack: "3", host: "32" }
  - host: 10.63.10.33
    config:
      server.labels: { az: "2", replication zone: "4", rack: "4", host: "33" }
  - host: 10.63.10.34
    config:
      server.labels: { az: "3", replication zone: "5", rack: "5", host: "34" }

参数配置优化

在双区域三 AZ 的架构部署中,从性能优化的角度,除了常规参数配置外,还需要对集群中相关组件参数进行调整。

  • 启用 TiKV gRPC 消息压缩。由于需要在网络中传输集群数据,可开启 gRPC 消息压缩,降低网络流量。

    server.grpc-compression-type: gzip
    
  • 优化跨区域 AZ3 的TiKV 节点网络,修改 TiKV 的如下参数,拉长跨区域副本参与选举的时间,避免跨区域 TiKV 中的副本参与 Raft 选举。

    raftstore.raft-min-election-timeout-ticks: 1000
    raftstore.raft-max-election-timeout-ticks: 1200
    
  • 调度设置。在集群启动后,通过 tiup ctl:<cluster-version> pd 工具进行调度策略修改。修改 TiKV Raft 副本数按照安装时规划好的副本数进行设置,在本例中为 5 副本。

    config set max-replicas 5
    
  • 禁止向跨区域 AZ 调度 Raft Leader,当 Raft Leader 在跨区域 AZ 时,会造成不必要的本区域 AZ 与远程 AZ 间的网络消耗,同时,网络带宽和延迟也会对 TiDB 的集群性能产生影响。

    config set label-property reject-leader dc 3
    
  • 设置 PD 的优先级,为了避免出现跨区域 AZ 的 PD 成为 Leader,可以将本区域 AZ 的 PD 优先级调高(数字越大,优先级越高),将跨区域的 PD 优先级调低。

    member leader_priority PD-10 5
    member leader_priority PD-11 5
    member leader_priority PD-12 5
    member leader_priority PD-13 5
    member leader_priority PD-14 1
    
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