זמינות גבוהה וחוסן נתונים

בוחרים גרסה של מאמר העזרה:

בדף הזה נסביר על זמינות גבוהה ועל הכלים שמומלץ להשתמש בהם.

מידע על החוסן (resilience) של הנתונים

אפשר לחשוב על עמידות הנתונים במונחים של זמינות, זמן לשחזור השירות ואובדן נתונים. הזמינות נמדדת בדרך כלל במונחים של זמן פעולה (uptime) ומבוטאת כאחוז הזמן שבו מסד הנתונים זמין. לדוגמה, כדי להשיג זמינות של 99.99%, מסד הנתונים לא יכול להיות מושבת יותר מ-52.6 דקות בשנה, או 4.38 דקות בחודש. הזמן שנדרש לשחזור השירות אחרי הפסקה נקרא יעד זמן השחזור (RTO). כמות אובדן הנתונים המקובלת כתוצאה מהפסקת שירות נקראת יעד להתאוששות מאסון (RPO), והיא מבוטאת כמשך הזמן שבו העסקאות אבדו. לדוגמה, אם ה-RPO הוא 10 דקות, במקרה של כשל יכול להיות שתאבדו נתונים ששווים עד 10 דקות.

מקובל להגדיר יעד זמינות, או יעד למדידת רמת השירות (SLO), יחד עם יעדים ל-RTO ול-RPO. לדוגמה, עבור עומס עבודה מסוים, יכול להיות שתגדירו את ה-SLO ל-99.99%, ותדרשו גם RPO של 0, ללא אובדן נתונים בכל כשל, ו-RTO של 30 שניות. לעומס עבודה אחר, אפשר להגדיר את ה-SLO ל-99.9%, את ה-RPO ל-5 דקות ואת ה-RTO ל-10 דקות.

אתם יכולים להטמיע עמידות בסיסית של מסד נתונים באמצעות גיבויים של מסד הנתונים. ב-AlloyDB Omni אפשר לגבות באמצעות pgBackRest, וגם להעביר לארכיון את קובצי יומן הכתיבה מראש (WAL) של מסד הנתונים כדי לצמצם את אובדן הנתונים. בגישה הזו, אם מסד הנתונים הראשי שלכם מושבת, אפשר לשחזר אותו מגיבוי עם RPO של דקות ו-RTO של דקות עד שעות, בהתאם לגודל מסד הנתונים.

אם יש לכם דרישות מחמירות יותר לגבי RPO ו-RTO, אתם יכולים להגדיר את AlloyDB Omni בזמינות גבוהה באמצעות Patroni. בארכיטקטורה הזו יש מסד נתונים ראשי ושני מסדי נתונים משניים, או רפליקות. אתם יכולים להגדיר את AlloyDB Omni כך שישתמש בשכפול סטרימינג רגיל של PostgreSQL כדי לוודא שכל עסקה שמתבצעת בשרת הראשי משוכפלת באופן סינכרוני לשני מסדי הנתונים של הגיבוי. כך מקבלים RPO של אפס ו-RTO של פחות מ-60 שניות ברוב תרחישי הכשל.

בהתאם להגדרות האשכול, יכול להיות שרפליקציה סינכרונית תשפיע על זמן התגובה של הטרנזקציות, ואתם יכולים לבחור להסתכן באובדן של כמות קטנה של נתונים. לדוגמה, אתם יכולים להגדיר RPO שאינו אפס בתמורה לזמן אחזור נמוך יותר של טרנזקציות, על ידי הטמעת זמינות גבוהה עם רפליקציה אסינכרונית במקום סינכרונית. בגלל ההשפעה הפוטנציאלית של רפליקציה סינכרונית על זמן האחזור של טרנזקציות, ארכיטקטורות של זמינות גבוהה מיושמות כמעט תמיד במרכז נתונים אחד, או בין מרכזי נתונים קרובים (במרחק של עשרות קילומטרים או זמן אחזור של פחות מ-10 אלפיות השנייה). עם זאת, שימו לב שבמסמך הזה אנחנו משתמשים בשכפול סינכרוני כברירת מחדל.

לצורך תוכנית התאוששות מאסון (DR), שהיא הגנה מפני אובדן של מרכז נתונים או של אזור שבו יש כמה מרכזי נתונים קרובים זה לזה, אפשר להגדיר את AlloyDB Omni עם רפליקציה אסינכרונית בסטרימינג מהאזור הראשי לאזור משני, בדרך כלל במרחק של מאות או אלפי ק"מ, או במרחק של עשרות עד מאות אלפיות השנייה. בהגדרה הזו, האזור הראשי מוגדר עם רפליקת סטרימינג סינכרונית בין מסדי הנתונים הראשי והמשני באזור, ורפליקת סטרימינג אסינכרונית מוגדרת מהאזור הראשי לאזור משני אחד או יותר. אפשר להגדיר את AlloyDB Omni באזור המשני עם כמה מופעים של מסדי נתונים כדי להבטיח שהוא מוגן מיד אחרי מעבר לגיבוי כשל מהאזור הראשי.

איך פועלת זמינות גבוהה

הטכניקות והכלים הספציפיים שמשמשים להטמעת זמינות גבוהה במסדי נתונים יכולים להשתנות בהתאם למערכת ניהול מסדי הנתונים. אלה כמה מהשיטות והכלים שמשמשים בדרך כלל להטמעת זמינות גבוהה במסדי נתונים, בהתאם למערכת לניהול מסדי נתונים:

  • יתירות: שכפול מסד הנתונים בכמה שרתים או אזורים גיאוגרפיים מספק אפשרויות ליתירות כשל אם המכונה הראשית מושבתת.

  • מעבר אוטומטי במקרה של כשל: מנגנון לזיהוי כשלים ומעבר חלק לרפליקה תקינה, כדי לצמצם את זמן ההשבתה. השאילתות מנותבות כך שהבקשות של האפליקציה יגיעו לצומת הראשי החדש.

  • המשכיות נתונים: אנחנו מטמיעים אמצעי הגנה כדי להגן על תקינות הנתונים במהלך כשלים. זה כולל טכניקות שכפול ובדיקות עקביות של הנתונים.

  • אשכולות: אשכולות כוללים קיבוץ של כמה שרתי מסד נתונים כדי שיפעלו יחד כמערכת אחת. בדרך הזו, כל הצמתים באשכול פעילים ומטפלים בבקשות, וכך מתבצע איזון עומסים ונוצרת יתירות.

  • מעבר לגיבוי: שיטות למעבר חזרה לארכיטקטורה המקורית באמצעות צמתים ראשיים וצמתים משוכפלים לפני מעבר לגיבוי, בקיבולת המקורית שלהם.

  • איזון עומסים: חלוקת בקשות למסד נתונים בין כמה מופעים משפרת את הביצועים ומאפשרת לטפל בעלייה בנפח התנועה.

  • מעקב והתראות: כלי מעקב מזהים בעיות כמו כשל בשרת, זמן אחזור ארוך, ניצול יתר של משאבים, ומפעילים התראות או תהליכים אוטומטיים של יתירות כשל.

  • גיבוי ושחזור: אפשר להשתמש בגיבויים כדי לשחזר מסדי נתונים למצב קודם במקרה של פגיעה בנתונים או כשל קטסטרופלי.

  • איגום חיבורים (אופציונלי): משפר את הביצועים ואת יכולת ההתאמה של אפליקציות שמתקשרות עם מסדי הנתונים שלכם.

כלים לזמינות גבוהה

‫Patroni הוא כלי לניהול אשכולות בקוד פתוח למסדי נתונים של PostgreSQL, שנועד לנהל ולאוטומט את הזמינות הגבוהה של אשכולות PostgreSQL. ‫Patroni משתמש במערכות קונצנזוס מבוזרות שונות כמו etcd,‏ Consul או Zookeeper כדי לתאם ולנהל את מצב האשכול. חלק מהתכונות והרכיבים העיקריים של Patroni כוללים זמינות גבוהה עם יתירות כשל אוטומטית, בחירת שרת ראשי, רפליקציה ושחזור. ‫Patroni פועל לצד שירות PostgreSQL במכונות של שרתי מסדי נתונים, ומנהל את התקינות, את יתירות הכשל ואת הרפליקציה שלהם כדי להבטיח זמינות גבוהה ואמינות.

‫Patroni משתמש במערכת קונצנזוס מבוזרת כדי לאחסן מטא-נתונים ולנהל את האשכול. במדריך הזה נשתמש בחנות תצורה מבוזרת (DCS) בשם etcd. אחד השימושים ב-etcd הוא לאחסון ולאחזור של מידע ממערכות מבוזרות, כמו הגדרות, נתוני תקינות וסטטוס נוכחי, כדי להבטיח הגדרה עקבית בכל הצמתים.

‫High Availability Proxy (HAProxy) היא תוכנה בקוד פתוח שמשמשת לאיזון עומסים ולהגדרת שרתי proxy לאפליקציות שמבוססות על TCP ו-HTTP. היא משמשת לשיפור הביצועים והאמינות של אפליקציות אינטרנט על ידי חלוקת הבקשות הנכנסות בין כמה שרתים. ‫HAProxy מאזן עומסים על ידי פיזור התנועה ברשת בין כמה שרתים. בנוסף, HAProxy מבצע בדיקות תקינות כדי לשמור על מצב התקינות של שרתי בק-אנד שאליהם הוא מתחבר. אם שרת נכשל בבדיקת תקינות, HAProxy מפסיק לשלוח אליו תנועה עד שהוא עובר שוב את בדיקות התקינות.

שיקולים לגבי רפליקציה סינכרונית ואסינכרונית

באשכול PostgreSQL שמנוהל על ידי Patroni, אפשר להגדיר שכפול במצב סינכרוני ובמצב אסינכרוני. כברירת מחדל, Patroni משתמש בשכפול אסינכרוני של סטרימינג. אם יש לכם דרישות מחמירות לגבי RPO, מומלץ להשתמש ברפליקציה סינכרונית.

רפליקציה סינכרונית ב-PostgreSQL מבטיחה עקביות בנתונים על ידי המתנה לכתיבת טרנזקציות גם בשרת הראשי וגם בשרת המתנה סינכרוני אחד לפחות לפני ביצוע הטרנזקציה. רפליקציה סינכרונית מבטיחה שהנתונים לא יאבדו במקרה של כשל ראשי, ומספקת עמידות ועקביות חזקות של הנתונים. השרת הראשי ממתין לאישורים מהשרת המשני הסינכרוני, מה שעלול להוביל לזמן אחזור ארוך יותר ולקצב העברת נתונים נמוך יותר בגלל זמן הלוך ושוב (RTT) הנוסף. הפעולה הזו עלולה להפחית את התפוקה הכוללת של המערכת, במיוחד בעומס גבוה.

שכפול אסינכרוני מאפשר לבצע עסקאות באשכול הראשי בלי לחכות לאישורים מאשכולות ההמתנה. השרת הראשי שולח רשומות WAL לשרתי הגיבוי, שמחילים אותן באופן אסינכרוני. הגישה האסינכרונית הזו מפחיתה את זמן האחזור של הכתיבה ומשפרת את הביצועים, אבל יש סיכון לאובדן נתונים אם השרת הראשי נכשל לפני שהשרת המשני מתעדכן. יכול להיות שהשרתים החלופיים יהיו בפיגור אחרי השרת הראשי, מה שעלול לגרום לחוסר עקביות במהלך יתירות כשל.

הבחירה בין שכפול סינכרוני לאסינכרוני באשכול Patroni תלויה בדרישות הספציפיות לעמידות, עקביות וביצועים של הנתונים. רפליקציה סינכרונית עדיפה בתרחישים שבהם תקינות הנתונים ואובדן נתונים מינימלי הם קריטיים, ורפליקציה אסינכרונית מתאימה לסביבות שבהן הביצועים וזמן אחזור נמוך יותר נמצאים בעדיפות גבוהה. אתם יכולים להגדיר פתרון משולב שכולל אשכול של שלושה צמתים עם המתנה סינכרונית באותו אזור, אבל בתחום או במרכז נתונים אחר בקרבת מקום, והמתנה אסינכרונית שנייה באזור אחר או במרכז נתונים מרוחק יותר, כדי להגן מפני הפסקות פוטנציאליות בשירות באזור.

המאמרים הבאים