Citus高可用方案演进介绍

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1. Citus的复制功能

Citus支持两种数据复制方案：

Citus的Shard Replication：通过将DML语句复制到多个Worker节点执行，实现对shard分片数据的复制，仅适用于append-only的负载；当某个Worker节点故障时，Coordinator节点会自动将查询请求转发到其他副本节点以实现高可用；
PostgreSQL的Streaming Replication：通过将Primary节点的WAL记录持续的复制到Standby节点，实现对Primary节点的完整复制，适用于负载较重的OLTP场景；

为什么会同时存在两种方案呢？可以看看Citus复制功能的演进过程。

1.1 第一阶段：客户端复制DML语句到多个Worker节点

在早期的版本中，Citus的主要应用场景是实时数据分析场景，用户批量的导入数据，并通过Citus进行实时数据查询分析，数据不需要修改，是完全Append-only的场景。

Append-Only的场景，各分片数据只需要在完成导入后是一致的就行，为了最大化导入性能，可以从客户端直接并行导入。

这个阶段，Citus导入数据的流程如下：

客户端通知Coordinator需要导入数据到某个表；
Coordinator节点分配对应的placement，并反馈连接信息给客户端；
客户端直接连接对应Shard及其副本，同时往多个副本写入数据；
客户端通知Coordinator更新元数据。

1.2 第二阶段：Coordinator复制DML语句到多个Worker节点

随着使用Citus的人越来越多，对于提供数据更新能力的需求也越来越多。为了提供数据更新能力，Citus需要解决两个主要的问题：

并发更新同一行记录，如何处理？
某个Shard副本不可用，如何处理？

为了解决引入数据更新能力的问题，Citus将更新操作集中到了Coordinator节点，由集中的Coordinator节点处理并发冲突和故障处理。

此时，数据的多副本复制，改成了由Coordinator节点复制DML语句到多个Worker节点执行。

1.3 第三阶段：推荐使用Streaming Replication

随着使用Citus的场景增加，例如多租户的场景，Citus引入了Co-located亲和性共存能力，可以把相同租户的数据亲和性存储在同一个Worker节点，方便支持Join查询，Rollup、外键约束等特性。

此时，前面基于复制Statment的复制方案就会碰到问题，当某个Shard因为短时故障被标记为invalid时，应该如何处理处于同一个Co-located亲和组的其他Shard？

不同步修改其他Shard状态，可能会引发违反外键约束的一致性问题；
同步修改其他Shard都为invalid状态，系统的可用性会严重下降。

这是一个两难的问题，为了安全起见，Citus在6.0版本中把复制因子的默认值从2改为了1，就是因为多租户场景下可能会产生违反外键约束的问题。

现在，Citus推荐的是使用PostgreSQL的Streaming Replication，如下图所示，Streaming Replication是primary-based replication，由主节点解决并发控制问题。

2. 云上Citus高可用备选方案

2.1 备选一：Streaming Replication

如前面描述，Streaming Replication是PostgreSQL的内置特性，通过将WAL记录持续复制到Standby节点，建立Hot Standby备份节点。

2.2 备选二：镜像卷

在云上，也可以使用云提供商的镜像卷能力，当Primary节点故障时，在对应备份卷的主机上拉起数据库进程接管业务。

2.3 备选三：从日志恢复

如果对RTO业务恢复时间不太敏感，也可以采用将WAL日志增量备份到对象存储的方式，本方案的成本更低，故障后，拉起对应计算节点，从对象存储恢复日志并重放数据即可。

2.4 备选方案对比

备选方案	优点
Streaming Replication	简单方便，需要更高的存储IO能力及容量；
镜像卷	利用云存储的高持久性和稳定性；
从日志恢复	利用云存储的高持久性，可以实现PITR。

2.5 Azure Hyperscale (Citus)的高可用方案

Coordinator节点和Worker节点都使用Streaming Replication方案将数据同步复制到位于另一个AZ的Standby节点，支持AZ级的容灾。主要技术指标有：

故障检测：每30秒检测一次，连续5次检测都异常则判断为故障，总计150秒；
故障倒换：最高90秒完成；
业务影响时间：检测 + 倒换时间，总计240秒；
新建Standby节点时间：不超过1小时。

参考

https://www.citusdata.com/blog/2016/12/15/citus-replication-model-today-and-tomorrow/
https://github.com/citusdata/citus/issues/998

Citus简介

Citus是PostgreSQL数据库的分布式中间件，用以解决PostgreSQL横向扩展问题，以支持更大的数据量、更大的写入和查询性能。

Citus由CitusData公司开发，目前已被微软收购，并在Azure上提供Citus Cloud服务。Citus为开源软件，经过约10年的发展，最近刚发布10.0版本，License为AGPL。

不像pg-xc的原生分布式方案，Citus是以Extension的方式扩展PostgreSQL能力，不侵入修改PostgreSQL内核代码，可以很容易和PostgreSQL的新版本配套适用，享受到内核版本演进带来的好处。

关于作者

张程伟，云和恩墨资深数据库架构师，加入云和恩墨前在华为工作16年，一直从事存储及数据库领域的研究工作。

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