NOS跨分区灾备设计与实现

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作者：王健

摘要

NOS（网易对象存储）在实现多机房（杭州机房，北京机房等）部署后，允许一个用户在建桶时选择桶所属机房。在此基础上，我们实现了跨机房的数据复制，进一步实现了跨机房的数据灾备方案。用户可以：

1. 通过简单的配置，即可让自己上传的数据异步准实时地同步到另一个机房，实现跨机房的数据复制

2. 在发生重大灾难导致整个机房无法访问时，可以将桶的上传下载操作切换到灾备机房，极大提升服务可用性

3. 灾备恢复服务切回主机房后，灾备期间所有上传到灾备机房的数据都会同步回主机房，主机房有用户全量的数据

4. 通过接入NOS的子服务NCDN和WanProxy，整个灾备过程可以对用户完全透明

本文主要讨论NOS多机房部署、跨机房数据复制以及跨机房灾备的设计与实现。

1. 多机房部署

NOS实现多机房部署的出发点有两个：

1. 可以让用户自主选择将桶创建在哪个机房（杭州机房，北京机房等）。用户可以根据自己服务器的地址就近选择桶所属机房，提高上传下载速度；

2. 可以进一步实现跨机房的数据灾备，提高灾难情况下的系统可用性

NOS多机房部署图如下所示：

如图，两个机房间除了极少量的信息（桶信息）需要同步外，各自都相当于一套独立的NOS集群。

多机房部署情况下，CDN的回源地址也需要根据桶所属的分区来进行配置，如下图所示：

2. 跨机房数据复制

跨机房的数据复制是跨机房灾备的基础，通过实现数据的机房间冗余，才能在一个机房故障时，将服务切到另一个机房并继续提供读写服务。

跨机房数据复制的核心设计如下图：

基本逻辑是：

1. 当一个桶配置了跨分区灾备的属性后，该桶的所有更新操作，均会记录在NOS_Sync表中（为了保证主从分区数据的一致性，写入NOS_Sync表必须同原更新操作放在一个事务中）

2. NosSyncer同步程序定期将NOS_Sync表中的数据读出，进行聚合处理后，将数据同步到指定的分区

跨分区数据复制有一些问题值得讨论：

1. 为什么选择将同步信息放在数据库中？
   其实，最初想到的办法并不是将同步信息写到数据库中，而是在更新操作完成后，记录一条日志，并通过日志收集，日志处理，处理结果上传到队列服务，再由NosSyncer从队列服务中获得待同步的任务并执行数据复制。这种实现方式的好处是，整个数据同步的逻辑是离线的，线上的服务只需要输出一条日志即可，跨分区数据复制逻辑不会对当前的线上业务产生影响。
   而该方案有两个明显的问题：
   1）NOS支持覆盖写操作，例如两个用户可以同时上传一个名为A的对象，后上传成功的会覆盖先上传的。因此，同步信息的顺序应该同实际插入的顺序一致，才能保证同步到灾备分区时也是同样的操作顺序，保证主从分区的数据一致性。而采用日志这种方式，多个NOS服务器上的日志收集顺序是无法保证先后的（即使日志带时间戳）。该问题可以通过抓取binlog日志来保证顺序性。
   2）该方案需要依赖日志收集，日志处理，队列等一系列外部的服务，需要的部署和运维精力较大。同时，在我们设计该系统时，这些服务的可靠性还有待验证，暂时不适用于我们的服务。

2. 为什么将插入NOS_Sync表的操作同更新操作放在同一个事务里？
   这主要是为了保证所有的更新操作和NOS_Sync表中的同步信息一一对应，而同步信息按顺序插入，同步程序只需要顺序读取同步信息并以此执行即可，这可以保证复制操作的执行顺序和实际更新顺序一致。

3. 数据复制的逻辑可以进行什么优化？
   数据复制优化有两个方向：1) 并发复制； 2）减少复制数据量；
   具体做法是，在取出一组同步信息后，首先在内存中对同步信息进行处理：
   1）过滤不必要的同步操作（例如：上传A(file1)，上传A(file2)，上传A(file3) 可以合并为 上传A(file3)）
   2）确认哪些操作可以并发执行（例如：上传A(file1)，上传B（file2）直接可以并发执行）
   在进行数据复制时，首先调用去重操作，如果可以去重上传，则不传输数据。

3. 跨机房数据灾备

3.1. 灾备情况分析

从用户的视角来看，NOS跨机房灾备需要考虑上传下载等多种情况：

如图：

1. 下行灾备情况一：用户过CDN下载，灾备时直接切换CDN回源地址，灾备过程对客户端透明（灾备切换时间约5分钟）

2. 下行灾备情况二：有逻辑的客户端，在感知到主分区故障后，主动切换访问到灾备分区，灾备过程需要客户端配合

3. 下行灾备情况三：无逻辑的客户端（如浏览器），若要灾备则需要切换域名，由于切换域名生效时间过久，线上基本不会操作

4. 上行灾备情况一：用户过WanProxy进行上传，灾备时WanProxy自动将上传切换到灾备机房，灾备过程对用户透明

5. 上行灾备情况二、情况三：客户端依赖产品的上传服务器来进行上传，当发生灾备时，需要上传服务器切换（或通知用户切换）上传地址，灾备过程需要上传服务器配合

基于以上的讨论，我们未来推荐的方式将是，客户端通过WanProxy进行上传，通过CDN进行下载，将灾备的逻辑统统交给NOS来做。

3.2. 灾备切换

灾备切换逻辑如下：

如图，涉及灾备的主要是两个数据库字段：

1. 灾备分区 —— 主机房发生灾难时服务切到哪里，正常状态下，数据从主机房复制到灾备机房

2. 是否切换 —— 主机房发生灾难时，通过该字段设置主备切换

3.3. 使用建议

如果用户对自己的数据有极高的可用性要求，可以尝试开启灾备服务，此处有几个建议：

1. 由于硬件条件限制（机房间无专线，数据传输走公网），因此不建议对大对象（如视频）实施灾备服务。

2. 用户可以将自己的数据按照重要程度放在多个桶中（如视频，图片，重要文件等），并对最重要的桶开启灾备服务，保证灾难状态时可以提供最基本的服务。

3. 逐渐将产品的上传切到WanProxy上传服务，将下载切到NCDN服务，从而透明地实现跨机房灾备。

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