具备负载均衡功能MySQL服务器集群部署及实现
1. 引言
MySQL是一个高速度、高性能、多线程、开放源代码，建立在客户/服务器(Client/Server)结构上的关系型数据库管理系统(RDBMS)。它始于1979年，最初是Michael Widenius为瑞典TcX公司创建的UNIREG数据库系统，当时的UNIREG没有SQL(Structured Query Language结构化查询语言)接口，限制了它的应用。1996年5月，Widenius开发出了MySQL的最初版本，开始在Internet上公开发行。MySQL的开发人员从一开始就一直关注它的性能，为此不惜特性集，直到今天，MySQL依然保持本色，以高速度高性能为首要原则。
随着时间的推移，MySQL也加入了大型数据库产品的高级特性，如存储过程、视图、触发器等，使其在企业级数据库系统中开始被部署应用[1]。2008年10月，SUN公司收购了MySQL AB公司，开始进入开源领域。随着重量级操作系统Solaris的开源，SUN MySQL在数据库市场占有的份额将会进一步提高。因此，在生产环境中部署具有负载均衡功能的MySQL服务器集群，对于提高企业数据库应用系统的速度、稳定性及可伸缩性具有很大的现实意义，也可以有效降低应用系统的投资成本。本文将以FreeBSD 7.0-Release操作系统为例，利用MySQL数据库的复制(Replication)特性，简要介绍部署MySQL服务器集群的实现方法和相关注意事项。
2. 系统模型
本集群的结构为一个主MySQL服务器(Master)服务器与多个从属MySQL服务器(Slave)建立复制(replication)连接，主服务器与从属服务器实现一定程度上的数据同步，多个从属服务器存储相同的数据副本，实现数据冗余，提供容错功能。部署开发应用系统时，对数据库操作代码进行优化，将写操作(如UPDATE、INSERT)定向到主服务器，把大量的查询操作(SELECT)定向到从属服务器，实现集群的负载均衡功能。如果主服务器发生故障，从属服务器将转换角色成为主服务器，使应用系统为终端用户提供不间断的网络服务;主服务器恢复运行后，将其转换为从属服务器，存储数据库副本，继续对终端用户提供数据查询检索服务。
3. 部署实现
本文以一台主服务器带三台从属服务器为例，简要介绍MySQL服务器集群的实现方案和具体方法步骤。
3.1 系统部署
由于FreeBSD系统对机器硬件要求较低，出于降低系统部署成本考虑，主服务器和从属服务器操作系统均采用FreeBSD 7.0-Release，并采用最小化定制安装，完成以后系统占用磁盘空间仅为254M(不计swap分区所占空间，它随具体机器内存容量的变化而变化)。为充分发挥系统硬件性能，MySQL数据库采用源代码编译安装。
3.1.1 安装FreeBSD系统
在主服务器和从属服务器上安装FreeBSD 7.0-Release，具体安装方法步骤不是本文主要内容，在此略过，如有疑问可以参考FreeBSD系统手册。需要说明的是为方便用户系统运行期间的维护管理，要打开系统的SSH服务功能，系统安装配置期间允许root用户远程登录，正常运行以后要关闭root用户的远程登录功能。在/etc/ssh/sshd_config配置文件中对PermitRootLogin设置为yes为允许root用户远程登录到系统，设置为no即为不允许。修改保存文件后执行kill –HUP `cat /var/run/sshd.pid`命令即可重启sshd守护进程，使设置生效[2]。上述操作需要root用户权限。
3.1.2 编译安装MySQL
到MySQL的官方网站http://www.mysql.com下载MySQL数据库的安装源代码压缩包，本例下载的是mysql-5.1.30.tar.gz，以root用户身份登录到系统，开始安装MySQL数据库系统。
由于在对MySQL进行源代码编译安装时要求使用GNU的C编译器，而FreeBSD系统本身提供的不是该编译器，因此用户必须下载安装GNU C编译器[3]。把下载的gnumake-3.81.tar.gz解压安装，按如下步骤即可安装GNU C编译器：
?
{
include_once("./mysql_connect_slave.php");
...
mysql_close();
}
else
{
include_once("./mysql_connect_master.php");
...
mysql_close();
}
...
?>
说明：每当向MySQL服务器提交数据库操作时，加入一个if-else判断语句对变量$sql进行判断定向，如果是SELECT查询操作，将其定向到从属服务器Slave中的一个;如果是其它更新语句，则将其定向到主服务器Master。此处代码段是应用系统实现负载均衡的关键，用户务必根据自己实际情况，写出准确无误的代码。每次对数据库操作完毕都要及时释放数据库连接，以免更新、查询操作分别定向失败，影响系统负载均衡功能。这样做虽然在一定程度上增加Web服务器或应用服务器的开销，但与MySQL服务器集群负载均衡功能带来的大幅性能提升及冗余容错特性相比，这个开销绝对是物超所值!
3.4 注意事项
正确部署实现具有负载均衡功能的MySQL服务器集群必须注意以下事项：
(1). MySQL数据库复制(replication)特性是核心
此处的复制不是简单的copy，从属服务器启动两个线程(thread)：I/O线程和SQL线程，I/O线程接收主服务器对参与复制数据库的更新操作事件(event)，并记入自己的中继二进制更新日志文件(hostname-relay-bin.00000n)，由SQL线程将更新操作写入自己的数据库表项。主从服务器之间复制的不是具体的数据内容，而是具体的以二进制格式记录的操作事件，因而在一定程度上实现主从服务器之间的数据同步。(这种复制类似于生物学意义上的按基因复制，在英语中replication的主要词义就是指该种复制。)
(2). 复制的复杂性
主从数据库服务器间的replication要求Master与Slave上的MySQL版本最好一致，主从服务器必须设置相同的字符集，否则很容易造成复制失败。主服务器上更新权限表内容的FLUSH语句不会被复制[8]。
(3). 按照范式化要求设计数据库
生产环境下基于MySQL服务器的应用系统要想稳定运行，按范式化设计系统数据库是基本要求，具体内容可参考相关书籍。
(4). 打开数据库服务器的远程用户连接功能
打开主从服务器的远程用户连接是实现更新、查询操作分别定向的必要条件，否则，来自应用服务器的连接请求失败，影响系统应用正常运行。
(5). 负载均衡功能的实现需要良好的团队合作
BIND DNS服务器实现了从属服务器Slave之间的负载均衡，Slave和Master之间的负载均衡则由应用系统开发人员在程序代码级实现。整个系统的性能提升和冗余容错需要网络管理和应用系统开发团队之间的良好合作，否则负载均衡功能的实现就会失败。
4. 常见问题
(1). 如何估算MySQL服务器集群的性能提升量?
针对本文采用的结构模式，可对应用系统整体性能提升做出大致估算。假设应用系统写操作占10%，读操作占90%，写操作耗时是读操作的2倍，系统的吞吐量(throughput)为T(用reads/s读操作次数/秒来衡量)。把写操作线性转换为读操作，则有：
T= 2Xwrites + 9Xwrites ==>writes=T/11① (不采用主从复制模式，读写操作集中到一个服务器上)
T= 2Xwrites + 9Xwrites/N ==> writes=T/(2+9/N)② (采用一对多的主从复制模式，读操作在从属服务器，写操作在主服务器)
其中，writes为系统单位时间内所能承受的最大写操作次数，N为从属服务器个数，N大于等于2。在不采用主从复制模式时，系统性能writes=T/11;采用本文一对三的复制模式时，系统性能writes=T/5。采用负载均衡模式与不采用系统性能之比为11：5，即2.2：1，考虑到应用服务器的额外开销，系统整体性能提升了整整1倍!从②式可以看出，系统整体性能理论极限为T/2，当然在实际生产环境中不可能达到。具体部署时用户可以根据自己的实际情况估算出合理的从属服务器数量，主要影响因素是网络带宽和机器整体性能[9]。
(2). 如何应对主从服务器崩溃?
当某台从属服务器崩溃时，修复故障重启后重新连接到主服务器，根据其master.info文件更新其数据，保持与主服务器的数据同步。如果主服务器崩溃，在某一从属服务器上执行STOP SLAVES; GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* repl_db TO‘repl’@’%’IDENTIFIED BY ‘g00r002b’;RESET MASTER;这三个SQL语句，由于从属服务器已启动了二进制更新日志功能，因此具备了角色转换的必要条件。更改其主机名、IP地址及server-id与Master一样，重启MySQL服务器，系统开始正常对外提供服务。其它两台从属服务器则不需执行任何操作，继续执行replication过程。BIND DNS服务器和应用程序也不需做任何调整，继续对系统用户提供不间断服务。主服务器排除故障恢复正常后，将其网络配置改为与现有Master转换角色之前一样的配置，重启MySQL服务，将其角色转换为从属服务器。也就是说，整个集群机器的角色可以相互循环转换，提高系统的冗余性和可靠性。在此需要注意的是，在应用系统调试运行正常之后，在Slave角色服务器的/etc/my.cnf文件[mysqld]段加入slave-skip-errors=all，保证集群之间复制(replication)的正常运行。
5. 结束语
部署与实现具有负载均衡功能的MySQL服务器集群是一项复杂的系统工程，需要多方面良好的协同合作才能做好。服务器的搭建配置、BIND DNS服务器的配置部署，以及应用系统程序的开发都要紧紧围绕实现MySQL服务器集群负载均衡功能这个目标。必须对主服务器的运行状态进行动态监控，如果发生故障，立即执行角色转换过程，确保为终端用户提供可靠、不间断的服务。可以针对具体系统环境写出监控脚本或程序，确保系统的可靠性与稳定性。
