Типы репликации баз данных

Репликация Master-Slave

Репликация master-slave — это метод, используемый для копирования и синхронизации данных из первичной базы данных (master) в одну или несколько вторичных баз данных (slave).

• При такой настройке база данных master отвечает за приём всех операций записи, таких как вставки, обновления и удаления.
• Изменения, внесённые в базу данных master, затем реплицируются в базы данных slave, хранящие копии данных.

Как работает репликация Master-Slave

При репликации master-slave происходит обмен данными между master и slave базами данных. Процесс обмена данными включает следующие шаги:

1. Операции записи: При выполнении операции записи (например, вставки, обновления или удаления) в базу данных master, master записывает изменения в свой лог транзакций.
2. Процесс репликации: В базе данных master имеется процесс или поток репликации, считывающий лог транзакций и отправляющий изменения (или обновления) в базу (базы) данных slave.
3. Сетевая коммуникация: Изменения передаются по сети от master к slave. Эта связь может быть синхронной или асинхронной, в зависимости от конфигурации.
4. Применение изменений: Получив изменения, база данных slave применяет их к своей копии данных. У базы данных slave может быть процесс или поток репликации, управляющий этим процессом.
5. Подтверждение: После применения изменений база данных slave отправляет базе данных master подтверждение, что изменения были получены и успешно применены.

Реальная аналогия репликации Master-Slave

Представьте библиотеку с двумя филиалами

• Главный филиал (master): Это главная библиотека с оригинальной и постоянно обновляемой коллекцией книг.
• Ведомый филиал (slave): Это меньший филиал, регулярно получающий копии новых книг из главного филиала. Студенты могут брать только те книги, которые физически присутствуют в ведомом филиале.

Области применения репликации Master-Slave

• Веб-сайты электронной коммерции: Использование slave серверов для выполнения тяжёлых операций чтения, например, списка товаров, в то время как master сервер выполняет операции записи, например, обработку заказов.
• Системы управления контентом: Распределение операций чтения для просмотра содержимого между несколькими slave серверами, в то время как master сервер управляет обновлениями и изменениями содержимого.

Преимущества репликации Master-Slave

• Высокая доступность: В случае отказа базы данных master база данных slave может быть переведена в статус нового master, обеспечивая доступность и работоспособность системы.
• Масштабируемость: Благодаря перекладыванию операций чтения на slave базы данных, нагрузка на master базу данных снижается, что позволяет системе обрабатывать больше пользователей и данных без ущерба для производительности.
• Резервное копирование данных: Базы данных slave могут служить резервными копиями базы данных master, обеспечивая надёжный способ восстановления данных в случае их потери или повреждения в базе данных master.
• Улучшенная производительность чтения: Поскольку операции чтения могут быть распределены между базами данных slave, общая производительность системы при чтении может быть улучшена, особенно в приложениях с высокой интенсивностью чтения.
• Консистентность данных: Репликация Master-slave помогает обеспечить согласованность данных в нескольких базах данных за счёт репликации изменений, внесённых в базу данных Master, в базы данных Slave, что позволяет синхронизировать все копии данных.

Проблемы репликации Master-Slave

• Задержка репликации: Может возникнуть задержка (задержка репликации) между моментом внесения изменений в базу данных master и моментом их репликации в базы данных slave, что потенциально может привести к несогласованности данных.
• Единая точка отказа: База данных master — это единая точка отказа, и если она выйдет из строя, вся система может стать недоступной до тех пор, пока не будет создан новый master.
• Возможность повреждения данных: Если в процессе репликации возникают проблемы, такие как сбои в сети или конфликты между изменениями, внесёнными в master и slave базы данных, это может привести к повреждению данных.
• Ограниченная масштабируемость записи: Поскольку операции записи ограничены базой данных master, она может стать узким местом для приложений, интенсивно работающих с записью, что скажется на общей производительности системы.

Репликация Master-Master

Репликация master-master, также известная как двунаправленная репликация, — это конфигурация, в которой две или более баз данных настроены как master, и каждая master может принимать операции записи. Это означает, что изменения, внесённые в любую базу данных master, реплицируются на все остальные базы данных master в конфигурации.

• При репликации master-master связь между базами данных master происходит двунаправленно.
• Когда операция записи выполняется в одной базе данных master, это изменение реплицируется во все остальные базы данных master.
• Если в разных базах данных master происходят конфликтующие записи, для обеспечения согласованности данных необходимы механизмы разрешения конфликтов.

Как работает репликация Master-Master

При репликации master-master обмен данными между узлами master происходит двунаправленно. Каждый master узел отвечает за приём операций записи и репликацию этих записей на другие master узлы системы. Процесс взаимодействия обычно включает следующие шаги:

1. Операции записи: Когда операция записи (например, вставка, обновление или удаление) выполняется на одном master узле, этот узел записывает изменения в свой лог транзакций.
2. Процесс репликации: На master узле есть процесс или поток репликации, считывающий лог транзакций и отправляющий изменения (или обновления) на другие master узлы.
3. Сетевая связь: Изменения передаются по сети от одного master узла к другим master узлам. Эта связь может быть синхронной или асинхронной, в зависимости от конфигурации.
4. Применение изменений: Получив изменения, каждый master узел применяет их к своей копии данных. Узлы также могут иметь процессы или потоки репликации, управляющие этим процессом.
5. Разрешение конфликтов: В случаях, когда происходят конфликтующие записи (т. е. одни и те же данные одновременно изменяются на разных master узлах), необходимы механизмы разрешения конфликтов для обеспечения согласованности данных. Они могут включать выбор одной версии данных в качестве "победителя" или объединение конфликтующих изменений.
6. Подтверждение: После применения изменений каждый master узел отправляет подтверждение обратно на исходный узел, чтобы подтвердить, что изменения были получены и успешно применены.

Реальная аналогия репликации Master-Master

Представьте двух высококвалифицированных авиадиспетчеров, управляющих воздушным движением в оживлённом воздушном пространстве.

• У каждого диспетчера есть свой сектор и все полномочия для управления самолётами в своей зоне.
• Они постоянно общаются и обмениваются информацией, чтобы не допустить конфликтов на траекториях полётов, поддерживая общую безопасность воздушного пространства.
• Если один из диспетчеров становится недоступным, другой может без проблем взять на себя ответственность за оба сектора, гарантируя бесперебойный поток трафика.

Применение репликации Master-Master

• Приложения для нескольких центров обработки данных: Использование репликации master-master для active-active конфигураций в различных центрах обработки данных, обеспечивающих доступ к данным с низкой задержкой.
• Платформы для совместного редактирования: Позволяет пользователям одновременно редактировать документы путём синхронизации изменений между несколькими master-серверами.

Преимущества репликации Master-Master

• Улучшенная масштабируемость записи: Поскольку операции записи могут быть распределены между несколькими master базами данных, общая производительность системы при записи может быть улучшена, особенно в приложениях с высокой интенсивностью записи.
• Высокая доступность: Если одна из master баз данных выходит из строя, другие master базы данных могут продолжать принимать операции записи, обеспечивая доступность системы.
• Балансировка нагрузки: Подобно репликации master-slave, репликация master-master позволяет балансировать нагрузку, распределяя операции чтения и записи между несколькими базами данных.
• Локальность данных: Репликация master-master может использоваться для приближения данных к месту их использования, уменьшая задержки и повышая производительность для пользователей, обращающихся к данным.

Проблемы репликации Master-Master

• Сложность: Настройка и управление репликацией master-master могут быть сложными, особенно при решении таких вопросов, как разрешение конфликтов, согласованность данных и конфигурация сети.
• Разрешение конфликтов: Конфликты могут возникать, если одни и те же данные одновременно изменяются на разных master узлах. Реализация механизмов разрешения конфликтов может быть сложной и в некоторых случаях может потребовать ручного вмешательства.
• Единая точка отказа: Хотя репликация master-master может повысить доступность, позволяя нескольким узлам принимать операции записи, она также создаёт риск возникновения единой точки отказа, если все узлы находятся в одном кластере или центре обработки данных.

Снапшот репликация

Снапшот репликация — метод, используемый в репликации баз данных для создания копии всей базы данных в определённый момент времени и последующей репликации этого снапшота на один или несколько целевых серверов. Обычно это делается для создания отчётов, резервных копий или распределённых баз данных.

Как работает снапшот репликация

Снапшот репликация подразумевает получение снимка всей базы данных издателя, сохранение его в базе данных распространения, а затем репликацию изменений от издателя к подписчикам на основе заранее заданного расписания или триггера.

Это всё равно что сделать снимок базы данных и отправить его на другие серверы, что может быть удобно для создания отчётов, резервного копирования или создания копии базы данных только для чтения для различных целей.

1. Первоначальный снапшот
   • Полная копия базы данных хранится у издателя (сервера исходной базы данных).
   • Этот снапшот включает все таблицы, данные и схему на определённый момент времени.
2. Распределение
   • Снапшот хранится в базе данных распределения.
   • Эта база данных служит хранилищем снапшотов и последующих изменений.
3. Процесс репликации
   • Отслеживаются изменения (вставки, обновления, удаления), внесённые в базу данных издателя.
   • Эти изменения сохраняются в базе данных распределения.
   • Распределительная база данных периодически копирует эти изменения в базы данных подписчиков (серверы назначения).
4. Обновления подписчиков
   • Подписчики получают реплицированные изменения из базы данных распределения.
   • Они применяют эти изменения к своим собственным базам данных, чтобы поддерживать их синхронизацию с издателем.

Реальная аналогия снапшот репликации

Представьте, что вы сфотографировали беспорядок в комнате (базе данных) в определённое время.

• Снапшот/снимок фиксирует состояние комнаты (базы данных) в тот самый момент.
• При необходимости можно использовать снапшот/снимок для восстановления прежнего состояния комнаты (базы данных).

Применения снапшот репликации

• Хранилище данных: Создание регулярных снапшотов базы данных в продакшене для анализа и создания отчётов, не затрагивая действующую базу данных.
• Аудит и соблюдение нормативных требований: Сохранение снапшотов данных для аудита с целью обеспечения соответствия нормативным требованиям.

Преимущества снапшот репликации

• Простота внедрения: Снапшот репликация относительно проста в настройке и управлении по сравнению с другими формами репликации.
• Распределение данных: Позволяет распределять данные по нескольким серверам, что повышает производительность и масштабируемость.
• Оффлайн-доступ: Снапшоты можно использовать для обеспечения автономного доступа к данным в целях отчётности или анализа.
• Защита данных: Может служить механизмом резервного копирования, обеспечивая точечную копию базы данных, которую можно восстановить в случае необходимости.

Проблемы снапшот репликации

• Согласованность данных: Поддерживать синхронизацию нескольких копий базы данных может быть непросто, особенно в средах с частыми обновлениями.
• Требования к хранению: Для хранения нескольких копий базы данных, включая снапшоты и изменения, может потребоваться значительный объем памяти.
• Задержка: Может возникнуть задержка между моментом внесения изменения в источник и моментом его репликации подписчикам, что приводит к потенциальным проблемам с согласованностью.
• Сложность масштабирования: При увеличении числа подписчиков управление и масштабирование процесса репликации может стать сложным.

Транзакционная репликация

Транзакционная репликация — метод, позволяющий поддерживать синхронизацию нескольких копий базы данных в режиме реального времени.

• Это означает, что любые изменения, внесённые в определённую таблицу (или набор таблиц) в одной базе данных, называемой издателем, немедленно реплицируются в другие базы данных, называемые подписчиками.
• Это гарантирует, что все копии данных будут идентичны в любой момент времени, обеспечивая согласованность данных в разных местах.

Как работает транзакционная репликация

1. Издатель и подписчик: Вы определяете таблицу или набор таблиц в базе данных издателя, которые необходимо реплицировать. Каждая база данных подписчиков получает обновления для этих конкретных таблиц.
2. Отслеживание изменений: Издатель постоянно отслеживает выбранные таблицы на предмет любых изменений, таких как вставки, обновления или удаления.
3. Зафиксированные транзакции: Каждое изменение группируется в транзакцию, что обеспечивает целостность и непротиворечивость данных.
4. Распространитель отправляет обновления: Центральный сервер, называемый дистрибьютором, получает транзакции от издателя и готовит их к рассылке подписчикам.

Реальная аналогия транзакционной репликации

Представьте фондовый рынок с постоянно меняющимися ценами

• Каждое изменение цены (сделка) немедленно транслируется на все подключённые экраны (реплики).
• Все видят одни и те же обновления цен в режиме реального времени.

Применение транзакционной репликации

• Финансовые услуги: Обеспечение практически в режиме реального времени репликации финансовых транзакций в нескольких базах данных для аудита и соблюдения нормативных требований.
• Онлайн-игры: Синхронизация действий игрока и игрового состояния в реальном времени на игровых серверах для поддержания стабильного игрового процесса.

Преимущества транзакционной репликации

• Обновления в режиме реального времени: Изменения данных немедленно отражаются во всех репликах, обеспечивая высокую доступность и согласованность данных.
• Аварийное восстановление: Реплицированные копии служат в качестве резервных копий для аварийного восстановления в случае сбоев в основной базе данных.
• Распределение данных: Обеспечивает доступ к последним данным в географически разнесённых местах без снижения производительности.

Проблемы транзакционной репликации

• Конфигурация: Настройка и поддержка транзакционной репликации требует технических знаний и тщательной настройки. Понимание агентов репликации, дистрибьюторов и конфигураций подписчиков может быть сложным.
• Накладные расходы: Репликация транзакций создаёт дополнительную нагрузку на базу данных издателя, что потенциально может повлиять на её производительность. Оптимизация настроек репликации и минимизация передаваемых данных могут помочь смягчить эту проблему.
• Задержка: Даже в режиме реального времени возможны небольшие задержки между обновлениями для издателя и подписчиков из-за удалённости сети и вычислительной мощности. Тщательно продумайте допустимую задержку, исходя из потребностей приложения.

Репликация слиянием

Репликация слиянием — метод синхронизации баз данных, позволяющий центральному серверу (издателю) и подключённым к нему устройствам (подписчикам) вносить изменения в данные, разрешая при необходимости конфликты.

Это определение сжато и точно отражает суть репликации слиянием, выделяя две её основные характеристики:

• Двусторонняя синхронизация: В отличие от транзакционной репликации, при которой обновления идут в основном от издателя к подписчикам, репликация слиянием позволяет осуществлять двунаправленный поток данных. Это означает, что и центральный сервер, и устройства могут изменять данные, даже находясь в автономном режиме.
• Разрешение конфликтов: При редактировании одних и тех же данных несколькими сторонами неизбежно возникновение конфликтов. При репликации слиянием используются предопределённые правила или вмешательство пользователя для разрешения конфликтующих изменений, что обеспечивает согласованность данных во всех копиях.

Как работает репликация слиянием

1. Издатель и подписчики: Как и в других методах, вы определяете таблицы в базе данных издателя для репликации. Подписчики также могут иметь доступ для чтения/записи к этим таблицам.
2. Отслеживание изменений: И издатель, и подписчики отслеживают изменения, внесённые в таблицы.
3. Возможны конфликты: Поскольку обе стороны могут изменять данные, могут возникнуть конфликты, когда в один и тот же элемент данных вносятся разные изменения.
4. Синхронизация и разрешение конфликтов: Когда подписчик подключается к сети, он отправляет свои изменения издателю. Издатель объединяет эти изменения со своими собственными и изменениями других подписчиков. Если возникают конфликты, заранее определённые правила определяют, какое изменение имеет приоритет.
5. Распространение обновлений: Разрешённые обновления распространяются среди всех подписчиков, обеспечивая всех самыми свежими данными.

Реальная аналогия репликации слиянием

Представьте команду, работающую над общим документом (базой данных) в Google Docs.

• Члены команды могут редактировать документ в автономном режиме (локально), а их изменения временно сохраняются.
• Когда они подключаются к сети, их изменения объединяются с основным документом, разрешая все конфликты.

Применение репликации слиянием

• Приложения для выездных служб: Позволяет полевым агентам работать в автономном режиме и синхронизировать свои обновления с центральным сервером при восстановлении связи.
• Системы здравоохранения: Позволяет медицинским работникам получать доступ к записям пациентов и обновлять их в автономном режиме, а изменения синхронизируются с центральной базой данных в онлайн-режиме.

Преимущества репликации слиянием

• Обновления в оффлайн-режиме: Устройства могут работать с данными даже при отключении от сети, обновляя их позже при повторном подключении.
• Двусторонняя синхронизация: Обеспечивает двунаправленный поток данных между издателем и подписчиками, что идеально подходит для распределённых сред.
• Разрешение конфликтов: Встроенные механизмы обрабатывают конфликтующие правки, обеспечивая целостность данных.
• Гибкость: Предлагает различные варианты разрешения конфликтов для удовлетворения различных потребностей в работе с данными.

Проблемы репликации слиянием

• Сложность: Управление разрешением конфликтов, синхронизацией данных и устранением неполадок требует значительных технических знаний и может быть сопряжено с ошибками.
• Производительность: Слияние и разрешение конфликтов увеличивает нагрузку на издателя и подписчиков, потенциально влияя на производительность и пропускную способность сети.
• Согласованность данных: Возможные ошибки при разрешении конфликтов или синхронизации могут привести к несогласованности данных в разных копиях, что требует принятия тщательных мер для обеспечения целостности данных.

Различия между репликацией Master-Slave и репликацией Master-Master

Различия между Снапшот репликацией и Транзакционной репликацией

Заключение

В заключение следует отметить, что репликация баз данных — фундаментальная концепция проектирования систем, играющая решающую роль в обеспечении доступности данных, масштабируемости и отказоустойчивости. Понимая вышеперечисленные типы репликации и их соответствующие случаи использования, разработчики систем могут принимать обоснованные решения для удовлетворения специфических требований приложений, обеспечивая целостность данных, доступность и производительность.