阿里巴巴開源專案: 基於mysql資料庫binlog的增量訂閱&消費

部落格分類： opensourcedatabasejavadistributed
mysqlbinlogzookeeperreplaction

背景

早期，阿里巴巴B2B公司因為存在杭州和美國雙機房部署，存在跨機房同步的業務需求。不過早期的資料庫同步業務，主要是基於trigger的方式獲取增量變更，不過從2010年開始，阿里系公司開始逐步的嘗試基於資料庫的日誌解析，獲取增量變更進行同步，由此衍生出了增量訂閱&消費的業務，從此開啟了一段新紀元。ps. 目前內部使用的同步，已經支援mysql5.x和oracle部分版本的日誌解析

基於日誌增量訂閱&消費支援的業務：
資料庫映象
資料庫實時備份
多級索引 (賣家和買家各自分庫索引)
search build
業務cache重新整理
價格變化等重要業務訊息
專案介紹

名稱：canal [kə’næl]
譯意： 水道/管道/溝渠
語言： 純Java開發
定位： 基於資料庫增量日誌解析，提供增量資料訂閱&消費，目前主要支援了MySQL

工作原理
mysql主備複製實現

從上層來看，複製分成三步：
master將改變記錄到二進位制日誌(binary log)中（這些記錄叫做二進位制日誌事件，binary log events，可以通過show binlog events進行檢視）；
slave將master的binary log events拷貝到它的中繼日誌(relay log)；
slave重做中繼日誌中的事件，將改變反映它自己的資料。
canal的工作原理：

原理相對比較簡單：
canal模擬mysql slave的互動協議，偽裝自己為mysql slave，向mysql master傳送dump協議
mysql master收到dump請求，開始推送binary log給slave(也就是canal)
canal解析binary log物件(原始為byte流)
架構

說明：

server代表一個canal執行例項，對應於一個jvm
instance對應於一個數據佇列 （1個server對應1..n個instance)
instance模組：
eventParser (資料來源接入，模擬slave協議和master進行互動，協議解析)
eventSink (Parser和Store連結器，進行資料過濾，加工，分發的工作)
eventStore (資料儲存)
metaManager (增量訂閱&消費資訊管理器)
知識科普
mysql的Binlay Log介紹

http://dev.mysql.com/doc/refman/5.5/en/binary-log.html
http://www.taobaodba.com/html/474_mysqls-binary-log_details.html
簡單點說：
mysql的binlog是多檔案儲存，定位一個LogEvent需要通過binlog filename + binlog position，進行定位
mysql的binlog資料格式，按照生成的方式，主要分為：statement-based、row-based、mixed。
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mysql> show variables like ‘binlog_format’;
+—————+——-+
| Variable_name | Value |
+—————+——-+
| binlog_format | ROW |
+—————+——-+
1 row in set (0.00 sec)
目前canal只能支援row模式的增量訂閱(statement只有sql，沒有資料，所以無法獲取原始的變更日誌)

EventParser設計
大致過程：

整個parser過程大致可分為幾步：
Connection獲取上一次解析成功的位置 (如果第一次啟動，則獲取初始指定的位置或者是當前資料庫的binlog位點)
Connection建立連結，傳送BINLOG_DUMP指令
// 0. write command number
// 1. write 4 bytes bin-log position to start at
// 2. write 2 bytes bin-log flags
// 3. write 4 bytes server id of the slave
// 4. write bin-log file name
Mysql開始推送Binaly Log
接收到的Binaly Log的通過Binlog parser進行協議解析，補充一些特定資訊
// 補充欄位名字，欄位型別，主鍵資訊，unsigned型別處理
傳遞給EventSink模組進行資料儲存，是一個阻塞操作，直到儲存成功
儲存成功後，定時記錄Binaly Log位置
mysql的Binlay Log網路協議：

說明：
圖中的協議4byte header，主要是描述整個binlog網路包的length
binlog event structure，詳細資訊請參考： http://dev.mysql.com/doc/internals/en/binary-log.html
EventSink設計

說明：
資料過濾：支援萬用字元的過濾模式，表名，欄位內容等
資料路由/分發：解決1:n (1個parser對應多個store的模式)
資料歸併：解決n:1 (多個parser對應1個store)
資料加工：在進入store之前進行額外的處理，比如join
資料1:n業務
為了合理的利用資料庫資源， 一般常見的業務都是按照schema進行隔離，然後在mysql上層或者dao這一層面上，進行一個數據源路由，遮蔽資料庫物理位置對開發的影響，阿里系主要是通過cobar/tddl來解決資料來源路由問題。
所以，一般一個數據庫例項上，會部署多個schema，每個schema會有由1個或者多個業務方關注

資料n:1業務
同樣，當一個業務的資料規模達到一定的量級後，必然會涉及到水平拆分和垂直拆分的問題，針對這些拆分的資料需要處理時，就需要連結多個store進行處理，消費的位點就會變成多份，而且資料消費的進度無法得到儘可能有序的保證。
所以，在一定業務場景下，需要將拆分後的增量資料進行歸併處理，比如按照時間戳/全域性id進行排序歸併.

EventStore設計
1. 目前僅實現了Memory記憶體模式，後續計劃增加本地file儲存，mixed混合模式
2. 借鑑了Disruptor的RingBuffer的實現思路
RingBuffer設計：

定義了3個cursor
Put : Sink模組進行資料儲存的最後一次寫入位置
Get : 資料訂閱獲取的最後一次提取位置
Ack : 資料消費成功的最後一次消費位置
借鑑Disruptor的RingBuffer的實現，將RingBuffer拉直來看：

實現說明：
Put/Get/Ack cursor用於遞增，採用long型儲存
buffer的get操作，通過取餘或者與操作。(與操作： cusor & (size - 1) , size需要為2的指數，效率比較高)
Instance設計

instance代表了一個實際執行的資料佇列，包括了EventPaser,EventSink,EventStore等元件。
抽象了CanalInstanceGenerator，主要是考慮配置的管理方式：
manager方式： 和你自己的內部web console/manager系統進行對接。(目前主要是公司內部使用)
spring方式：基於spring xml + properties進行定義，構建spring配置.
Server設計

server代表了一個canal的執行例項，為了方便元件化使用，特意抽象了Embeded(嵌入式) / Netty(網路訪問)的兩種實現
Embeded : 對latency和可用性都有比較高的要求，自己又能hold住分散式的相關技術(比如failover)
Netty : 基於netty封裝了一層網路協議，由canal server保證其可用性，採用的pull模型，當然latency會稍微打點折扣，不過這個也視情況而定。(阿里系的notify和metaq，典型的push/pull模型，目前也逐步的在向pull模型靠攏，push在資料量大的時候會有一些問題)
增量訂閱/消費設計

具體的協議格式，可參見：CanalProtocol.proto
get/ack/rollback協議介紹：
Message getWithoutAck(int batchSize)，允許指定batchSize，一次可以獲取多條，每次返回的物件為Message，包含的內容為：
a. batch id 唯一標識
b. entries 具體的資料物件，對應的資料物件格式：EntryProtocol.proto
void rollback(long batchId)，顧命思議，回滾上次的get請求，重新獲取資料。基於get獲取的batchId進行提交，避免誤操作
void ack(long batchId)，顧命思議，確認已經消費成功，通知server刪除資料。基於get獲取的batchId進行提交，避免誤操作
canal的get/ack/rollback協議和常規的jms協議有所不同，允許get/ack非同步處理，比如可以連續呼叫get多次，後續非同步按順序提交ack/rollback，專案中稱之為流式api.
流式api設計的好處：
get/ack非同步化，減少因ack帶來的網路延遲和操作成本 (99%的狀態都是處於正常狀態，異常的rollback屬於個別情況，沒必要為個別的case犧牲整個效能)
get獲取資料後，業務消費存在瓶頸或者需要多程序/多執行緒消費時，可以不停的輪詢get資料，不停的往後傳送任務，提高並行化. (作者在實際業務中的一個case：業務資料消費需要跨中美網路，所以一次操作基本在200ms以上，為了減少延遲，所以需要實施並行化)
流式api設計：

每次get操作都會在meta中產生一個mark，mark標記會遞增，保證執行過程中mark的唯一性
每次的get操作，都會在上一次的mark操作記錄的cursor繼續往後取，如果mark不存在，則在last ack cursor繼續往後取
進行ack時，需要按照mark的順序進行數序ack，不能跳躍ack. ack會刪除當前的mark標記，並將對應的mark位置更新為last ack cusor
一旦出現異常情況，客戶端可發起rollback情況，重新置位：刪除所有的mark, 清理get請求位置，下次請求會從last ack cursor繼續往後取
資料物件格式：EntryProtocol.proto
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Entry
Header
logfileName [binlog檔名]
logfileOffset [binlog position]
executeTime [發生的變更]
schemaName
tableName
eventType [insert/update/delete型別]
entryType [事務頭BEGIN/事務尾END/資料ROWDATA]
storeValue [byte資料,可展開，對應的型別為RowChange]

RowChange
isDdl [是否是ddl變更操作，比如create table/drop table]
sql [具體的ddl sql]
rowDatas [具體insert/update/delete的變更資料，可為多條，1個binlog event事件可對應多條變更，比如批處理]
beforeColumns [Column型別的陣列]
afterColumns [Column型別的陣列]

Column
index
sqlType [jdbc type]
name [column name]
isKey [是否為主鍵]
updated [是否發生過變更]
isNull [值是否為null]
value [具體的內容，注意為文字]
說明：
可以提供資料庫變更前和變更後的欄位內容，針對binlog中沒有的name,isKey等資訊進行補全
可以提供ddl的變更語句

HA機制設計
canal的ha分為兩部分，canal server和canal client分別有對應的ha實現
canal server: 為了減少對mysql dump的請求，不同server上的instance要求同一時間只能有一個處於running，其他的處於standby狀態.
canal client: 為了保證有序性，一份instance同一時間只能由一個canal client進行get/ack/rollback操作，否則客戶端接收無法保證有序。
整個HA機制的控制主要是依賴了zookeeper的幾個特性，watcher和EPHEMERAL節點(和session生命週期繫結)，可以看下我之前zookeeper的相關文章。

Canal Server:

大致步驟：
canal server要啟動某個canal instance時都先向zookeeper進行一次嘗試啟動判斷 (實現：建立EPHEMERAL節點，誰建立成功就允許誰啟動)
建立zookeeper節點成功後，對應的canal server就啟動對應的canal instance，沒有建立成功的canal instance就會處於standby狀態
一旦zookeeper發現canal server A建立的節點消失後，立即通知其他的canal server再次進行步驟1的操作，重新選出一個canal server啟動instance.
canal client每次進行connect時，會首先向zookeeper詢問當前是誰啟動了canal instance，然後和其建立連結，一旦連結不可用，會重新嘗試connect.
Canal Client的方式和canal server方式類似，也是利用zokeeper的搶佔EPHEMERAL節點的方式進行控制.