MySQL官方推荐： K8S 部署 MySQL 高可用方案

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1MySQL简介

MySQL 是一个开源的关系型数据库管理系统，使用标准的sql语言，由瑞典 MySQL AB 公司开发，当前属于 Oracle 公司。能够 支持大型的数据库，可以处理上千万条的数据记录。可以运行于在Windows、Linux等多种系统上；支持C、C++、Python、Java、Perl、PHP、Eiffel、Ruby和Tcl等编程语言。对于32位系统，MySQL的表文件最大可支持4GB，对于64位系统，MySQL支持最大的表文件为8TB。

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MySQL高可用方案

本文的MySQL高可用方案为主从复制+读写分离，即由单一的master和多个slave所构成。其中，客户端通过master对数据库进行写操作，通过slave端进行读操作。master出现问题后，可以将应用切换到slave端。 此方案是MySQL官方提供的一种高可用解决方案，节点间的数据同步采用MySQL Replication技术。

MySQL Replication从一个MySQL数据库服务器（master）的数据复制到一个或多个MySQL数据库服务器（slave）。在默认情况下，复制是异步的；slave不需要一直接收来自主机的更新。根据配置，可以复制数据库中的所有数据库、选定的数据库，或者特定的表。 

MySQL中复制的优点包括：

扩容解决方案：在多个slave之间扩展负载以提高性能。在这种模式下，所有的写入和更新操作都必须在主服务器上进行。然而，读取操作通过slave镜像。该模型可以提高写入操作的性能，同时，也能够通过增加slave的节点数量，从而显著地提升读取速度。

数据安全：数据从master被复制到slave，并且slave可以暂停复制过程。因此，可以在不损坏master的情况下，在slave上运行备份服务。

分析：现场数据可以在master上创建，而对信息的分析可以在slave进行，而不影响master的性能。

远程数据分发：可以使用复制为远程站点创建本地数据的副本，而不必一直通过访问master。

此高可用的解决方案适用于对数据实时性要求不是特别严格的场景，在使用时可以通过廉价的硬件来扩展slave的节点数量，将读压力分散到多台slave的机器上面。此方案能够在很大的程度上解决数据库读取数据的压力瓶颈问题，这是因为在大多的应用系统中，读压力要比写压力大很多多。

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安装部署

3.1 环境要求

已有Kubernetes 1.6+环境；

在Kubernetes中提供多个(具体数量根据有状态副本集的个数而定)容量大于10g的持久化存储卷。

3.2 部署MySql

此示例由一个ConfigMap、两个Service和一个StatefulSet所组成。

3.2.1 创建ConfigMap

通过YAML文件创建名为mysql的ConfigMap：

1. $ kubectl create -f {path}/mysql-configmap.yaml --namespace=kube-public

2. apiVersion: v1

3. kind: ConfigMap

4. metadata:

5.  name: mysql

6.  labels:

7.    app: mysql

8. data:

9.  master.cnf: |

10.    # Apply this config only on the master.

11.    [mysqld]

12.    log-bin

13.    log_bin_trust_function_creators=1

14.    lower_case_table_names=1

15.  slave.cnf: |

16.    # Apply this config only on slaves.

17.    [mysqld]

18.    super-read-only

19.    log_bin_trust_function_creators=1

3.2.2 创建Services

通过yaml文件创建mysql和mysql-read这两个Service：

1. $ kubectl create -f {path}/mysql-services.yaml --namespace=kube-public

2. # Headless service for stable DNS entries of StatefulSet members.

3. apiVersion: v1

4. kind: Service

5. metadata:

6.  name: mysql

7.  labels:

8.    app: mysql

9. spec:

10.  ports:

11.  - name: mysql

12.    port: 3306

13.  clusterIP: None

14.  selector:

15.    app: mysql

16. ---

17. # Client service for connecting to any MySQL instance for reads.

18. # For writes, you must instead connect to the master: mysql-0.mysql.

19. apiVersion: v1

20. kind: Service

21. metadata:

22.  name: mysql-read

23.  labels:

24.    app: mysql

25. spec:

26.  ports:

27.  - name: mysql

28.    port: 3306

29.  selector:

30.    app: mysql

StatefulSet控制器为Pod创建了一个DNS条目，而Headless服务为DNS条目提供一个主机。因为Headless服务的名称为mysql，其他Pod通过.mysql访问此Pod。客户端访问被称为mysql-read，客户端服务通过访问mysql-read读取数据。通过连接myql执行写入数据的操作。

3.2.3 创建StatefulSet

通过yaml文件创建名为mysql的StatefulSet：

1. $ kubectl create -f {path}/mysql-statefulset.yaml --namespace=kube-public

2. apiVersion: apps/v1

3. kind: StatefulSet

4. metadata:

5.  name: mysql

6. spec:

7.  selector:

8.    matchLabels:

9.      app: mysql

10.  serviceName: mysql

11.  replicas: 3

12.  template:

13.    metadata:

14.      labels:

15.        app: mysql

16.    spec:

17.      initContainers:

18.      - name: init-mysql

19.        image: mysql:5.7

20.        command:

21.        - bash

22.        - "-c"

23.        - |

24.          set -ex

25.          # Generate mysql server-id from pod ordinal index.

26.          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1

27.          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}

28.          echo [mysqld] > /mnt/conf.d/server-id.cnf

29.          # Add an offset to avoid reserved server-id=0 value.

30.          echo server-id=$((100 + $ordinal)) >> /mnt/conf.d/server-id.cnf

31.          # Copy appropriate conf.d files from config-map to emptyDir.

32.          if [[ $ordinal -eq 0 ]]; then

33.            cp /mnt/config-map/master.cnf /mnt/conf.d/

34.          else

35.            cp /mnt/config-map/slave.cnf /mnt/conf.d/

36.          fi

37.        volumeMounts:

38.        - name: conf

39.          mountPath: /mnt/conf.d

40.        - name: config-map

41.          mountPath: /mnt/config-map

42.      - name: clone-mysql

43.        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0

44.        command:

45.        - bash

46.        - "-c"

47.        - |

48.          set -ex

49.          # Skip the clone if data already exists.

50.          [[ -d /var/lib/mysql/mysql ]] && exit 0

51.          # Skip the clone on master (ordinal index 0).

52.          [[ `hostname` =~ -([0-9]+)$ ]] || exit 1

53.          ordinal=${BASH_REMATCH[1]}

54.          [[ $ordinal -eq 0 ]] && exit 0

55.          # Clone data from previous peer.

56.          ncat --recv-only mysql-$(($ordinal-1)).mysql 3307 | xbstream -x -C /var/lib/mysql

57.          # Prepare the backup.

58.          xtrabackup --prepare --target-dir=/var/lib/mysql

59.        volumeMounts:

60.        - name: data

61.          mountPath: /var/lib/mysql

62.          subPath: mysql

63.        - name: conf

64.          mountPath: /etc/mysql/conf.d

65.      containers:

66.      - name: mysql

67.        image: mysql:5.7

68.        env:

69.        - name: MYSQL_ALLOW_EMPTY_PASSWORD

70.          value: "1"

71.        ports:

72.        - name: mysql

73.          containerPort: 3306

74.        volumeMounts:

75.        - name: data

76.          mountPath: /var/lib/mysql

77.          subPath: mysql

78.        - name: conf

79.          mountPath: /etc/mysql/conf.d

80.        resources:

81.          requests:

82.            cpu: 500m

83.            memory: 1Gi

84.        livenessProbe:

85.          exec:

86.            command: ["mysqladmin", "ping"]

87.          initialDelaySeconds: 30

88.          periodSeconds: 10

89.          timeoutSeconds: 5

90.        readinessProbe:

91.          exec:

92.            # Check we can execute queries over TCP (skip-networking is off).

93.            command: ["mysql", "-h", "127.0.0.1", "-e", "SELECT 1"]

94.          initialDelaySeconds: 5

95.          periodSeconds: 2

96.          timeoutSeconds: 1

97.      - name: xtrabackup

98.        image: gcr.io/google-samples/xtrabackup:1.0

99.        ports:

100.        - name: xtrabackup

101.          containerPort: 3307

102.        command:

103.        - bash

104.        - "-c"

105.        - |

106.          set -ex

107.          cd /var/lib/mysql

108.          # Determine binlog position of cloned data, if any.

109.          if [[ -f xtrabackup_slave_info ]]; then

110.            # XtraBackup already generated a partial "CHANGE MASTER TO" query

111.            # because we're cloning from an existing slave.

112.            mv xtrabackup_slave_info change_master_to.sql.in

113.            # Ignore xtrabackup_binlog_info in this case (it's useless).

114.            rm -f xtrabackup_binlog_info

115.          elif [[ -f xtrabackup_binlog_info ]]; then

116.            # We're cloning directly from master. Parse binlog position.

117.            [[ `cat xtrabackup_binlog_info` =~ ^(.*?)[[:space:]]+(.*?)$ ]] || exit 1

118.            rm xtrabackup_binlog_info

119.            echo "CHANGE MASTER TO MASTER_LOG_FILE='${BASH_REMATCH[1]}',\

120.                  MASTER_LOG_POS=${BASH_REMATCH[2]}" > change_master_to.sql.in

121.          fi

122.          # Check if we need to complete a clone by starting replication.

123.          if [[ -f change_master_to.sql.in ]]; then

124.            echo "Waiting for mysqld to be ready (accepting connections)"

125.            until mysql -h 127.0.0.1 -e "SELECT 1"; do sleep 1; done

126.            echo "Initializing replication from clone position"

127.            # In case of container restart, attempt this at-most-once.

128.            mv change_master_to.sql.in change_master_to.sql.orig

129.            mysql -h 127.0.0.1 <<EOF

130.          $(<change_master_to.sql.orig),

131.            MASTER_HOST='mysql-0.mysql',

132.            MASTER_USER='root',

133.            MASTER_PASSWORD='',

134.            MASTER_CONNECT_RETRY=10;

135.          START SLAVE;

136.          EOF

137.          fi

138.          # Start a server to send backups when requested by peers.

139.          exec ncat --listen --keep-open --send-only --max-conns=1 3307 -c \

140.            "xtrabackup --backup --slave-info --stream=xbstream --host=127.0.0.1 --user=root"

141.        volumeMounts:

142.        - name: data

143.          mountPath: /var/lib/mysql

144.          subPath: mysql

145.        - name: conf

146.          mountPath: /etc/mysql/conf.d

147.        resources:

148.          requests:

149.            cpu: 100m

150.            memory: 100Mi

151.      volumes:

152.      - name: conf

153.        emptyDir: {}

154.      - name: config-map

155.        configMap:

156.          name: mysql

157.  volumeClaimTemplates:

158.  - metadata:

159.      name: data

160.    spec:

161.      accessModes: ["ReadWriteOnce"]

162.      resources:

163.        requests:

164.          storage: 10Gi

通过执行如下的命令可以查看启动过程：

1. $ kubectl get pods -l app=mysql --watch --namespace=kube-public

在启动后，应该能够看到如下的信息： 

4

理解有状态Pod初始化

StatefulSet控制器按Pod的序号索引一次启动一个Pod，控制器每个Pod指派一个唯一的、稳定的名称，名称的格式为-。在此示例中，Pod的名称为mysql-0，此节点为master主节点；mysql-1和mysql-2，这两个节点为slave从节点。

4.1 创建配置文件

在开始启动Pod规格中的任何容器之前，Pod首先会按照YAML配置中定义的顺序运行初始化容器。

第一个初始化容器为init-mysql，将以顺序索引创建MySQL配置文件。

脚本从Pod名称的结尾处获取并确定它的顺序索引，顺序索引通过hostname命令获取。然后，它会按照顺序保存在conf.d目录下的server-id.cnf文件中。此行为将StatefulSet控制器提供的唯一和稳定的身份标识转为mysql服务Id的域。在init-mysql容器中，脚本使用来自于ConfigMap中master.cnf或slave.cnf。

在此例子的拓扑关系中，存在一个MySQL master节点和多个MySQL slave节点，脚本简单的指派顺序0给主节点。这能够保证MySQL主节点在创建从节点之前就已经准备就绪。

4.2 克隆已存在的数据

一般来说，当一个新的Pod加入进来作为从节点时，必须假设MySQL master已经有关于它的数据。也假设slave副本的日志必须重新开始的。这些假设对于StatefulSet的扩缩容是很关键。

第二个初始化容器是clone-mysql，它在空的PersistentVolume上执行克隆从节点Pod的行为。这意味着它将从已在运行的Pod中拷贝数据，因此，它的当前状态能够与从master开始的副本节点一致。

MySQL自身并没有提供能够做到上述能力的机制，因此，此例子使用开源的Percona XtraBackup工具来实现。在克隆的过程中，为了对MySQL主节点影响的最小化，脚本会要求每一个新的Pod从顺序索引值小的Pod中进行克隆。这样做的原因是，StatefulSet控制器需要一直保证Pod N需要在Pod N+1之前准备就绪。

4.3 启动副本

在初始化容器完成后，容器将正常运行。MySQL Pod由运行实际mysqld服务的MySQL容器组成，xtrabacekup容器只是作为备份的工具。xtrabackup负责监控克隆数据文件，并确定是否在从节点初始化MySQL副本。如果需要，它将等待MySQL就绪，然后执行 CHANGE MASTER TO和START SLAVE命令。

一旦一个从节点开始复制，它将记住MySQL master，并自动进行重新连接，因为从节点寻找主节点作为稳定DNS名称（mysql-0.mysql），它们自动的发现主节点。最后，在启动副本后，xtrabackup容器也监听来自于其它Pod对数据克隆的请求。

5

MySQL部署环境验证

1）通过运行一个临时的容器(使用mysql:5.7镜像)，使用MySQL 客户端发送测试请求给MySQL master节点（主机名为mysql-0.mysql；跨命名空间的话，主机名请使用mysql-0.mysql.kube-public）

1. $ kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -it --rm --restart=Never -- mysql -h mysql-0.mysql.kube-public

1. CREATE DATABASE demo;

2. CREATE TABLE demo.messages (message VARCHAR(250));

3. INSERT INTO demo.messages VALUES ('hello');

在master节点上创建demo数据库，并创建一个只有message字段的demo.messages的表，并为message字段插入hello值。 

2）用主机名为mysql-read来发送测试请求给服务器：

1. $ kubectl run mysql-client --image=mysql:5.7 -i -t --rm --restart=Never -- mysql -h mysql-read.kube-public

6

扩容slave数量

1）对于mysql副本，通过添加从节点进行扩容。

1. $ kubectl scale statefulset mysql --replicas=5 --namespace=kube-public

2）通过下面的命令查看新的Pod：

1. $ kubectl get pods -l app=mysql --watch --namespace=kube-public

3）缩容也是无缝的：

1. $ kubectl scale statefulset mysql --replicas=3 --namespace=kube-public

参考

《mysql教程》

http://www.runoob.com/mysql/mysql-tutorial.html 

《Replication》

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/replication.html 

《Replication Solutions》

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/replication-solutions.html 

《MySQL Master-Slave Replication on the Same Machine》

https://www.toptal.com/mysql/mysql-master-slave-replication-tutorial 

《Run a Replicated Stateful Application》

https://kubernetes.io/docs/tasks/run-application/run-replicated-stateful-application/

作者简介：

 季向远，北京神舟航天软件技术有限公司产品经理。本文版权归原作者所有。

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