技术分享 | 为什么MGR一致性模式不推荐AFTER

ywz888

发布于 2022-8-29 15:40

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● 1、引子
● 2、AFTER 的写一致性
● 3、AFTER 的读一致性
● 4、AFTER 执行流程
● 5、BEFORE 执行流程
● 6、一些思考
● 7、参考文档

1、引子

某次测试过程中，发现在 AFTER 级别下，节点故障会导致集群无法进行事务提交，同时，当事务进入提交阶段后，其它节点无法开启只读事务。整个集群无法正常提供服务，直到故障节点被踢出集群。

以下首先复现上述故障场景的步骤：

1、初始化一个3节点的集群。集群信息如下：

mysql> select * from performance_schema.replication_group_members;
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    | CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    | group_replication_applier | c223cde5-0719-11ec-8295-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13000 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
    | group_replication_applier | c22847e0-0719-11ec-b30b-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13004 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
    | group_replication_applier | c22c3752-0719-11ec-98ef-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13002 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    3 rows in set (0.00 sec)

    mysql> select @@group_replication_member_expel_timeout;
    +------------------------------------------+
    | @@group_replication_member_expel_timeout |
    +------------------------------------------+
    |                                     1000 |
    +------------------------------------------+
    1 row in set (0.00 sec)1.
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2、在 AFTER 级别下创建表并插入一条数据

 13000-conn1
    mysql> set session group_replication_consistency='AFTER';
    Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

    mysql> create table t1 (c1 int primary key, c2 int); 
    Query OK, 0 rows affected (0.12 sec)

    mysql> insert into t1 values (1,1); 
    Query OK, 1 row affected (0.03 sec)1.
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3、强杀一个节点，由于设置的 expel_timeout 设置为1000秒，故障节点变成 UNREACHABLE状态

  mysql> select * from performance_schema.replication_group_members;
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    | CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    | group_replication_applier | c223cde5-0719-11ec-8295-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13000 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
    | group_replication_applier | c22847e0-0719-11ec-b30b-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13004 | UNREACHABLE  | PRIMARY     | 8.0.25         |
    | group_replication_applier | c22c3752-0719-11ec-98ef-ec5c6826bca3 | 127.0.0.1   |       13002 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
    +---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
    3 rows in set (0.00 sec)1.
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4、此时，再次插入一条数据，无法返回，语句处于等待提交阶段

13000-conn1
    mysql> insert into t1 values (2,2);

    13000-conn2
    mysql> select time, state, info from information_schema.processlist;
    +------+--------------------------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
    | time | state                                                  | info                                                         |
    +------+--------------------------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
    |    0 | executing                                              | select time, state, info from information_schema.processlist |
    |  193 | waiting for handler commit                             | Group replication applier module                             |
    |  228 | Waiting on empty queue                                 | NULL                                                         |
    |  193 | Slave has read all relay log; waiting for more updates | NULL                                                         |
    |   50 | waiting for handler commit                             | insert into t1 values (2,2)                                  |
    +------+--------------------------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
    5 rows in set (0.01 sec)1.
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5、再次登录另一个活着的节点，无法执行查询操作

13002-conn1
mysql> set @@group_replication_consistency='eventual';
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from t1;

13002-conn2
mysql> select time, state, info from information_schema.processlist;
+------+--------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
| time | state                                | info                                                         |
+------+--------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
|    0 | executing                            | select time, state, info from information_schema.processlist |
|  354 | waiting for handler commit           | Group replication applier module                             |
|  403 | Waiting on empty queue               | NULL                                                         |
|  225 | waiting for handler commit           | NULL                                                         |
|   13 | Executing hook on transaction begin. | select * from t1                                             |
+------+--------------------------------------+--------------------------------------------------------------+
5 rows in set (0.01 sec)1.
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2、AFTER 的写一致性

上述故障的第一个问题是，在 MGR 集群中，当事务读写一致性级别设置为 AFTER 后，任何单点的故障都会导致集群不可用。在默认设置情况下，节点从故障到被踢出集群，一般需要5至10秒的时间，在这段时间内，整个数据库是无法进行写事务的提交的，当然，如上述测试一般，如果将expel_timeout设置的更大，则会有更长的时间无法正常工作。这对线上业务来说，将是一次灾难。

查看MGR读写一致性的原始worklog，发现上述现象是符合设计预期的，并不是一个bug。该 worklog 的以下需求即解释了上述的问题。

FR-08: When group_replication_consistency=AFTER or BEFORE_AND_AFTER,
       if there are unreachable members but the group still has a
       reachable majority, the transaction will wait until that
       members are reachable or leave the group.1.
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如此处理的一个好处是，可以满足部分业务对严格数据一致性的需求，但对一般的业务却是极度不友好的。因此，对于一般的业务，并不推荐使用 AFTER 机制。然而，由于非 AFTER 机制下，事务消息只是通过 paxos 协议在内存层面达成多数派，而并不要求数据落盘，因此，如果多数节点同时故障，是存在丢失数据风险的。

3、AFTER 的读一致性

上述故障的第二个问题是，当节点1 处于事务commit阶段过程中，在节点2上，甚至都无法在 eventual 级别下开启一个只读事务。此时，在故障节点被踢出集群之前，节点2无法提供任何的读写服务。

还是从 worklog 中，解释了这个问题。

FR-06: When group_replication_consistency=AFTER or BEFORE_AND_AFTER,
       since the remote ONLINE members do acknowledge the
       transaction on prepare, the new transactions on those members
       shall be held until the preceding prepared are committed.1.
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也就是说，如果事务在 remote 节点进入了 prepared 阶段，则必须等待该事务完成提交才能开启新的事务，不论 consistency 是何种级别。但是如此处理的一个弊端是，AFTER 级别下，不光会导致执行节点性能吞吐降低，其它节点作为只读节点性能也会降低。

在多主写部署中，性能的影响可能更大。另一个问题是，如果用户恶意开启 AFTER 级别执行一个大事务操作，会导致其它节点长时间无法开启新的事务。官方 worklog 中也提到这个问题。

SECURITY CONTEXT
================
From a point of view of malicious attack to the group, since when
group_replication_consistency=AFTER or BEFORE_AND_AFTER a
transaction will wait for a acknowledge from all ONLINE members, a
UNREACHABLE member will block a transaction execution until that
member is reachable or leaves the group.

A malicious user can set group_replication_consistency=AFTER or
BEFORE_AND_AFTER on long lived transactions, which may block new
transactions while those long lived transactions are being applied.1.
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4、AFTER 执行流程

首先，在事务执行节点上的流程如下：

1.首先，事务进入提交阶段后，会执行一个before_commit的HOOK，在 mgr 中，对应的实现是 group_replication_trans_before_commit。AFTER 的一致性保证通过该接口实现。

2.假设事务 T1 在节点 M1 上执行，如果是 AFTER 级别，会通过 paxos 发送一个携带事务全部数据的Transaction_with_guarantee_message消息，消息类型为 CT_TRANSACTION_WITH_GUARANTEE_MESSAGE。

3.节点接收到该消息并处理时，首先会获取当前集群中的 online_members。这里需要注意的是，即使节点状态变为 UNREACHABLE，只要没有踢出集群，也会认为是 online_members。

4.节点 M1 需要等待其它节点的消息反馈

5.节点M1只有收到上述 online_members 中所有节点的 prepared 消息时，才能继续完成提交

接下来，看一下其它节点（以M2节点为例）处理 AFTER 事务的流程：

1.首先，paxos 接收到事务，并进入事务执行阶段

2.事务T1在M2进入提交阶段时，调用 before_hook进行处理，不同于 M1的用户线程，M2上的复制线程是在 GR_APPLIER_CHANNEL 上执行

3.将事务加入到 prepared 事务列表

4.发送 transaction_prepared 消息给所有的节点，并等待处理

5.接收到其它节点对 transaction_prepared 消息确认后，从 prepared 事务列表中移除该事务，并继续提交

对于 AFTER 模式，所有的节点在处理事务时，均需要发送一个 transaction_prepared 消息并等待所有节点的确认，之后，用户线程执行的事务才能成功提交。排除用户线程等待所有节点事务提交的时间开销，这些消息处理的网络开销也会对性能造成一定的影响。

另一个需要注意的是，如果在M2节点，事务T1还未进入prepared阶段，此时开启新的事务并不会阻塞。在DEBUG版本下，可以通过如下步骤进行验证。

connect 13000：
mysql> select * from performance_schema.replication_group_members;
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| group_replication_applier | 1ca5023b-0a1d-11ec-82f9-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13000 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cab1e2b-0a1d-11ec-9eb9-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13004 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1caf096c-0a1d-11ec-a241-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13002 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cbc3cf7-0a1d-11ec-955d-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13006 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cc6f5eb-0a1d-11ec-8e81-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13008 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
5 rows in set (0.03 sec)

mysql> set session group_replication_consistency='AFTER';
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> create table t1 (c1 int primary key, c2 int); 
 Query OK, 0 rows affected (0.17 sec)

mysql> insert into t1 values (1,1); 
Query OK, 1 row affected (0.07 sec)

kill -9 13008
mysql> select * from performance_schema.replication_group_members;
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| group_replication_applier | 1ca5023b-0a1d-11ec-82f9-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13000 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cab1e2b-0a1d-11ec-9eb9-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13004 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1caf096c-0a1d-11ec-a241-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13002 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cbc3cf7-0a1d-11ec-955d-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13006 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | 1cc6f5eb-0a1d-11ec-8e81-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13008 | UNREACHABLE  | PRIMARY     | 8.0.25         |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
5 rows in set (0.00 sec)

connect 13002，使用DEBUG_SYNC，控制节点不进入prepared阶段：
mysql> set global debug='+d,group_replication_before_commit_hook_wait';
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

connect 13000，插入新的事务，没有返回
mysql> insert into t1 values (2,2);

connect 13002，可以发现，事务被 DEBUG_SYNC 阻塞：
mysql> select command, time, state, info from information_schema.processlist;
+---------+------+----------------------------+-----------------------------------------------------------------------+
| command | time | state                      | info                                                                  |
+---------+------+----------------------------+-----------------------------------------------------------------------+
| Connect |  189 | waiting for handler commit | Group replication applier module                                      |
| Query   |    0 | executing                  | select command, time, state, info from information_schema.processlist |
| Sleep   |    7 |                            | NULL                                                                  |
| Daemon  |  240 | Waiting on empty queue     | NULL                                                                  |
| Query   |   64 | debug sync point: now      | NULL                                                                  |
+---------+------+----------------------------+-----------------------------------------------------------------------+
5 rows in set (0.01 sec)

此时，可以查询到数据：
mysql> set session group_replication_consistency='eventual';
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from t1;
+----+------+
| c1 | c2   |
+----+------+
|  1 |    1 |
+----+------+
1 row in set (0.00 sec)1.
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5、BEFORE 执行流程

与 AFTER 相对应的是 BEFORE，如果一个 session 开启了 BEFORE 级别，则在事务开启时，需要等待所有已经提交的事务已经在本地完成提交，这是通过 WAIT_FOR_GTID_SET 实现。在事务的开启时刻，获取到节点已经同步接收到的所有的事务 gtid 集合，并等待集合内所有的 gtid 完成提交，即可保证事务执行时，读取到最新的数据。

但是在获取 gtid 集合之前，节点需要通过 paxos 发送一个 SYNC_BEFORE_EXECUTION 类型的消息。由于 paxos 会对消息进行排队，因此，当 SYNC_BEFORE_EXECUTION 处理完成时，可以保证该消息发送之前的所有的事务消息均完成在 paxos 中的处理。由于该消息是本次事务开启时产生的，因而此时节点收到的 gtid 集合符合 BEFORE 级别。

如果节点不发送 SYNC_BEFORE_EXECUTION 消息，则 BEFORE 级别未必能够读取到最新数据。假设当前存在网络分区，总共三个节点A，B，C，网络分区后，A，B节点组成多数派，C节点为少数派，此时，A，B节点上新的写入事务将不会继续同步到C节点。在 C 节点被踢出集群之前，如果 C 开启了 BEFORE 级别，却未发送 SYNC_BEFORE_EXECUTION 消息，那么 C 中不能读取到新的数据，违背了 BEFORE 的设计宗旨。但是发送该消息后，由于无法达成消息一致性，那么新的事务将失败、或者一直等待消息返回，而不会返回用户过时的数据。

如下示例则显示了多数节点故障下，BEFORE 级别的执行行为。

开始阶段：
mysql> select * from performance_schema.replication_group_members; 
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| group_replication_applier | dd6398ec-09fe-11ec-95de-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13002 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | dd64424b-09fe-11ec-aeeb-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13000 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | dd65b9de-09fe-11ec-9d06-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13004 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
3 rows in set (0.06 sec)

mysql> select @@group_replication_member_expel_timeout;
+------------------------------------------+
| @@group_replication_member_expel_timeout |
+------------------------------------------+
|                                       60 |
+------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

查询数据：
mysql> set session group_replication_consistency='BEFORE';
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from t1;
+----+------+
| c1 | c2   |
+----+------+
|  2 |    2 |
+----+------+
1 row in set (0.01 sec)

使用kill -9模拟多数节点故障：
mysql> select * from performance_schema.replication_group_members;
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| CHANNEL_NAME              | MEMBER_ID                            | MEMBER_HOST | MEMBER_PORT | MEMBER_STATE | MEMBER_ROLE | MEMBER_VERSION |
+---------------------------+--------------------------------------+-------------+-------------+--------------+-------------+----------------+
| group_replication_applier | dd6398ec-09fe-11ec-95de-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13002 | UNREACHABLE  | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | dd64424b-09fe-11ec-aeeb-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13000 | UNREACHABLE  | PRIMARY     | 8.0.25         |
| group_replication_applier | dd65b9de-09fe-11ec-9d06-c8f7507e5048 | 127.0.0.1   |       13004 | ONLINE       | PRIMARY     | 8.0.25         |
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3 rows in set (0.00 sec)

此时，再次查询数据，一直未返回
mysql> select * from t1;

使用另一个客户端查看状态，一直处于 before hook 阶段：
mysql> select command, time, state, info from information_schema.processlist;
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| command | time | state                                                  | info                                                                  |
+---------+------+--------------------------------------------------------+-----------------------------------------------------------------------+
| Connect |  253 | waiting for handler commit                             | Group replication applier module                                      |
| Daemon  |  318 | Waiting on empty queue                                 | NULL                                                                  |
| Query   |  238 | Slave has read all relay log; waiting for more updates | NULL                                                                  |
| Query   |  170 | Executing hook on transaction begin.                   | select * from t1                                                      |
| Query   |    0 | executing                                              | select command, time, state, info from information_schema.processlist |
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5 rows in set (0.00 sec)1.
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当然，由于 BEFORE 级别下，额外发送了一次 SYNC_BEFORE_EXECUTION 消息，增加了一次网络开销，对性能是有一定的影响的。

6、一些思考

1.AFTER 模式下，当其它节点事务进入到 prepared 阶段，但用户线程并未完成提交，此时要求新的事务开启时必须等待事务提交是否必要？当前设计下，这一要求会造成一定程度上的节点不可用。

2.AFTER 模式需要等待所有的节点提交成功，这是一个强一致的数据同步方案，但同时会导致集群不可用。同时由于参数 group_replication_consistency 是一个 session 级的控制变量，即使某一个用户连接开启 AFTER 模式，都可能导致整个集群不可用。一个备选方案是，采用开源的GreatSQL分支的 majority-after 模式（group_replication_majority_after_mode = ON），可以规避上述问题。

7、参考文档

1.MySQL 设计文档（https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=10379）

2.MySQL 用户文档（https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/group-replication-configuring-consistency-guarantees.html）

Enjoy GreatSQL :)

文章转载自公众号：GreatSQL社区

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已于2022-9-6 11:39:22修改

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