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通过拓扑 label 进行副本调度

为了提升 TiDB 集群的高可用性和数据容灾能力，我们推荐让 TiKV 节点尽可能在物理层面上分散，例如让 TiKV 节点分布在不同的机架甚至不同的机房。PD 调度器根据 TiKV 的拓扑信息，会自动在后台通过调度使得 Region 的各个副本尽可能隔离，从而使得数据容灾能力最大化。

要让这个机制生效，需要在部署时进行合理配置，把集群的拓扑信息（特别是 TiKV 的位置）上报给 PD。阅读本章前，请先确保阅读 TiUP 部署方案。

根据集群拓扑配置 labels

设置 TiKV 和 TiFlash 的 labels

TiKV 和 TiFlash 支持在命令行参数或者配置文件中以键值对的形式绑定一些属性，我们把这些属性叫做标签 (label)。TiKV 和 TiFlash 在启动后，会将自身的标签上报给 PD，因此可以使用标签来标识 TiKV 和 TiFlash 节点的地理位置。

比如集群的拓扑结构分成四层：机房 (zone) -> 数据中心 (dc) -> 机架 (rack) -> 主机 (host)，就可以使用这 4 个标签来设置 TiKV 和 TiFlash 的位置。

使用命令行参数的方式启动一个 TiKV 实例：

tikv-server --labels zone=<zone>,dc=<dc>,rack=<rack>,host=<host>

使用配置文件的方式：

[server]
[server.labels]
zone = "<zone>"
dc = "<dc>"
rack = "<rack>"
host = "<host>"

TiFlash 支持通过 tiflash-learner.toml （tiflash-proxy 的配置文件）的方式设置 labels：

[server]
[server.labels]
zone = "<zone>"
dc = "<dc>"
rack = "<rack>"
host = "<host>"

设置 TiDB 的 labels（可选）

如果需要使用 Follower Read 的优先读同一区域副本的功能，需要为 TiDB 节点配置相关的 labels。

TiDB 支持使用配置文件的方式设置 labels：

[labels]
zone = "<zone>"
dc = "<dc>"
rack = "<rack>"
host = "<host>"

设置 PD 的 location-labels 配置

根据前面的描述，标签可以是用来描述 TiKV 属性的任意键值对，但 PD 无从得知哪些标签是用来标识地理位置的，而且也无从得知这些标签的层次关系。因此，PD 也需要一些配置来使得 PD 理解 TiKV 节点拓扑。

PD 上的配置叫做 location-labels，是一个字符串数组。该配置的每一项与 TiKV labels 的 key 是对应的，而且其中每个 key 的顺序代表不同标签的级别关系（从左到右，隔离级别依次递减）。

location-labels 没有默认值，你可以根据具体需求来设置该值，包括 zone、rack、host 等等。同时，location-labels 对标签级别的数量也没有限制（即不限定于 3 个），只要其级别与 TiKV 服务器的标签匹配，则可以配置成功。

你可以根据集群状态来选择不同的配置方式：

  • 在集群初始化之前，可以通过 PD 的配置文件进行配置：

    [replication]
location-labels = ["zone", "rack", "host"]

  • 如果需要在 PD 集群初始化完成后进行配置，则需要使用 pd-ctl 工具进行在线更改：

    pd-ctl config set location-labels zone,rack,host

设置 PD 的 isolation-level 配置

在配置了 location-labels 的前提下，用户可以还通过 isolation-level 配置来进一步加强对 TiKV 集群的拓扑隔离要求。假设按照上面的说明通过 location-labels 将集群的拓扑结构分成三层：机房 (zone) -> 机架 (rack) -> 主机 (host)，并对 isolation-level 作如下配置：

[replication]
isolation-level = "zone"

当 PD 集群初始化完成后，需要使用 pd-ctl 工具进行在线更改：

pd-ctl config set isolation-level zone

其中，isolation-level 配置是一个字符串，需要与 location-labels 的其中一个 key 对应。该参数限制 TiKV 拓扑集群的最小且强制隔离级别要求。

使用 TiUP 进行配置（推荐）

如果使用 TiUP 部署集群，可以在初始化配置文件中统一进行 location 相关配置。TiUP 会负责在部署时生成对应的 TiKV、PD 和 TiFlash 配置文件。

下面的例子定义了 zone 和 host 两层拓扑结构。集群的 TiKV 和 TiFlash 分布在三个 zone，z1、z2 和 z3。

  • 每个 zone 内有两台主机部署 TiKV 实例，z1 每台主机同时部署两个 TiKV 实例，z2 和 z3 每台主机分别独立部署一个 TiKV 实例。
  • 每个 zone 内有两台主机部署 TiFlash 实例，TiFlash 实例均为独占机器部署。

以下例子中 tikv-host-machine-n 代表第 n 个 TiKV 节点的 IP 地址，tiflash-host-machine-n 代表第 n 个 TiFlash 节点的 IP 地址。

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

tikv_servers:
# z1
  # machine-1 on z1
  - host: tikv-host-machine-1
    port：20160
    config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tikv-host-machine-1
  - host: tikv-host-machine-1
    port：20161
    config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tikv-host-machine-1
  # machine-2 on z1
  - host: tikv-host-machine-2
    port：20160
    config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tikv-host-machine-2
  - host: tikv-host-machine-2
    port：20161
    config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tikv-host-machine-2
# z2
  - host: tikv-host-machine-3
    config:
      server.labels:
        zone: z2
        host: tikv-host-machine-3
  - host: tikv-host-machine-4
    config:
      server.labels:
        zone: z2
        host: tikv-host-machine-4
# z3
  - host: tikv-host-machine-5
    config:
      server.labels:
        zone: z3
        host: tikv-host-machine-5
  - host: tikv-host-machine-6
    config:
      server.labels:
        zone: z3
        host: tikv-host-machine-6

tiflash_servers:
# z1
  - host: tiflash-host-machine-1
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tiflash-host-machine-1
  - host: tiflash-host-machine-2
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z1
        host: tiflash-host-machine-2
# z2
  - host: tiflash-host-machine-3
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z2
        host: tiflash-host-machine-3
  - host: tiflash-host-machine-4
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z2
        host: tiflash-host-machine-4
# z3
  - host: tiflash-host-machine-5
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z3
        host: tiflash-host-machine-5
  - host: tiflash-host-machine-6
    learner_config:
      server.labels:
        zone: z3
        host: tiflash-host-machine-6

详情参阅 TiUP 跨数据中心部署拓扑。

基于拓扑 label 的 PD 调度策略

PD 在副本调度时，会按照 label 层级，保证同一份数据的不同副本尽可能分散。

下面以上一节的拓扑结构为例分析。

假设集群副本数设置为 3 (max-replicas=3)，因为总共有 3 个 zone，PD 会保证每个 Region 的 3 个副本分别放置在 z1/z2/z3，这样当任何一个数据中心发生故障时，TiDB 集群依然是可用的。

假如集群副本数设置为 5 (max-replicas=5)，因为总共只有 3 个 zone，在这一层级 PD 无法保证各个副本的隔离，此时 PD 调度器会退而求其次，保证在 host 这一层的隔离。也就是说，会出现一个 Region 的多个副本分布在同一个 zone 的情况，但是不会出现多个副本分布在同一台主机。

在 5 副本配置的前提下，如果 z3 出现了整体故障或隔离，并且 z3 在一段时间后仍然不能恢复（由 max-store-down-time 控制），PD 会通过调度补齐 5 副本，此时可用的主机只有 4 个了，故而无法保证 host 级别的隔离，于是可能出现多个副本被调度到同一台主机的情况。

但假如 isolation-level 设置不为空，值为 zone，这样就规定了 Region 副本在物理层面上的最低隔离要求，也就是说 PD 一定会保证同一 Region 的副本分散于不同的 zone 之上。即便遵循此隔离限制会无法满足 max-replicas 的多副本要求，PD 也不会进行相应的调度。例如，当前存在 TiKV 集群的三个机房 z1/z2/z3，在三副本的设置下，PD 会将同一 Region 的三个副本分别分散调度至这三个机房。若此时 z1 整个机房发生了停电事故并在一段时间后（由 max-store-down-time 控制，默认为 30 分钟）仍然不能恢复，PD 会认为 z1 上的 Region 副本不再可用。但由于 isolation-level 设置为了 zone，PD 需要严格保证不同的 Region 副本不会落到同一 zone 上。此时的 z2 和 z3 均已存在副本，则 PD 在 isolation-level 的最小强制隔离级别限制下便不会进行任何调度，即使此时仅存在两个副本。

类似地，isolation-level 为 rack 时，最小隔离级别便为同一机房的不同 rack。在此设置下，如果能在 zone 级别保证隔离，会首先保证 zone 级别的隔离。只有在 zone 级别隔离无法完成时，才会考虑避免出现在同一 zone 同一 rack 的调度，并以此类推。

总的来说，PD 能够根据当前的拓扑结构使得集群容灾能力最大化。所以如果用户希望达到某个级别的容灾能力，就需要根据拓扑结构在对应级别提供多于副本数 (max-replicas) 的机器。同时 TiDB 也提供了诸如 isolation-level 这样的强制隔离级别设置，以便更灵活地根据场景来控制对数据的拓扑隔离级别。

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