Canal简介

Canal简介

背景：

早期，阿里巴巴B2B公司因为存在杭州和美国双机房部署，存在跨机房同步的业务需求。不过早期的数据库同步业务，主要是基于trigger的方式获取增量变更，不过从2010年开始，阿里系公司开始逐步的尝试基于数据库的日志解析，获取增量变更进行同步，由此衍生出了增量订阅&消费的业务，从此开启了一段新纪元。

ps. 目前内部版本已经支持mysql和oracle部分版本的日志解析，当前的canal开源版本支持5.7及以下的版本(阿里内部mysql 5.7.13, 5.6.10, mysql 5.5.18和5.1.40/48)

基于日志增量订阅&消费支持的业务：

• 数据库镜像
• 数据库实时备份
• 多级索引 (卖家和买家各自分库索引)
• search build
• 业务cache刷新
• 价格变化等重要业务消息

项目介绍

名称：canal [kə’næl]

译意： 水道/管道/沟渠

语言： 纯java开发

定位： 基于数据库增量日志解析，提供增量数据订阅&消费，目前主要支持了mysql

关键词： mysql binlog parser / real-time / queue&topic

工作原理

mysql主备复制实现

从上层来看，复制分成三步：

• master将改变记录到二进制日志(binary log)中（这些记录叫做二进制日志事件，binary log events，可以通过show binlog events进行查看）；
• slave将master的binary log events拷贝到它的中继日志(relay log)；
• slave重做中继日志中的事件，将改变反映它自己的数据。

canal的工作原理：

原理相对比较简单：

• canal模拟mysql slave的交互协议，伪装自己为mysql slave，向mysql master发送dump协议
• mysql master收到dump请求，开始推送binary log给slave(也就是canal)
• canal解析binary log对象(原始为byte流)

架构

说明：

• server代表一个canal运行实例，对应于一个jvm
• instance对应于一个数据队列 （1个server对应1..n个instance)

instance模块：

• eventParser (数据源接入，模拟slave协议和master进行交互，协议解析)
• eventSink (Parser和Store链接器，进行数据过滤，加工，分发的工作)
• eventStore (数据存储)
• metaManager (增量订阅&消费信息管理器)

知识科普

mysql的Binlay Log介绍

• http://dev.mysql.com/doc/refman/5.5/en/binary-log.html
• http://www.taobaodba.com/html/474_mysqls-binary-log_details.html

简单点说：

• mysql的binlog是多文件存储，定位一个LogEvent需要通过binlog filename + binlog position，进行定位
• mysql的binlog数据格式，按照生成的方式，主要分为：statement-based、row-based、mixed。
  

  mysql> show variables like 'binlog_format';
  +---------------+-------+
  | Variable_name | Value |
  +---------------+-------+
  | binlog_format | ROW   |
  +---------------+-------+
  1 row in set (0.00 sec)

目前canal支持所有模式的增量订阅(但配合同步时，因为statement只有sql，没有数据，无法获取原始的变更日志，所以一般建议为ROW模式)

EventParser设计

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大致过程：

整个parser过程大致可分为几步：

1. Connection获取上一次解析成功的位置 (如果第一次启动，则获取初始指定的位置或者是当前数据库的binlog位点)
2. Connection建立链接，发送BINLOG_DUMP指令
   // 0. write command number
   // 1. write 4 bytes bin-log position to start at
   // 2. write 2 bytes bin-log flags
   // 3. write 4 bytes server id of the slave
   // 4. write bin-log file name
3. Mysql开始推送Binaly Log
4. 接收到的Binaly Log的通过Binlog parser进行协议解析，补充一些特定信息
   // 补充字段名字，字段类型，主键信息，unsigned类型处理
5. 传递给EventSink模块进行数据存储，是一个阻塞操作，直到存储成功
6. 存储成功后，定时记录Binaly Log位置

mysql的Binlay Log网络协议：

说明：

• 图中的协议4byte header，主要是描述整个binlog网络包的length
• binlog event structure，详细信息请参考： http://forge.mysql.com/wiki/MySQL_Internals_Binary_Log

EventSink设计

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说明：

• 数据过滤：支持通配符的过滤模式，表名，字段内容等
• 数据路由/分发：解决1:n (1个parser对应多个store的模式)
• 数据归并：解决n:1 (多个parser对应1个store)
• 数据加工：在进入store之前进行额外的处理，比如join

数据1:n业务

为了合理的利用数据库资源， 一般常见的业务都是按照schema进行隔离，然后在mysql上层或者dao这一层面上，进行一个数据源路由，屏蔽数据库物理位置对开发的影响，阿里系主要是通过cobar/tddl来解决数据源路由问题。

所以，一般一个数据库实例上，会部署多个schema，每个schema会有由1个或者多个业务方关注

数据n:1业务

同样，当一个业务的数据规模达到一定的量级后，必然会涉及到水平拆分和垂直拆分的问题，针对这些拆分的数据需要处理时，就需要链接多个store进行处理，消费的位点就会变成多份，而且数据消费的进度无法得到尽可能有序的保证。

所以，在一定业务场景下，需要将拆分后的增量数据进行归并处理，比如按照时间戳/全局id进行排序归并.

EventStore设计

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• 目前仅实现了Memory内存模式，后续计划增加本地file存储，mixed混合模式
• 借鉴了Disruptor的RingBuffer的实现思路

RingBuffer设计：

定义了3个cursor

• Put : Sink模块进行数据存储的最后一次写入位置
• Get : 数据订阅获取的最后一次提取位置
• Ack : 数据消费成功的最后一次消费位置
  借鉴Disruptor的RingBuffer的实现，将RingBuffer拉直来看：
  

实现说明：

• Put/Get/Ack cursor用于递增，采用long型存储
• buffer的get操作，通过取余或者与操作。(与操作： cusor & (size - 1) , size需要为2的指数，效率比较高)

Instance设计

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instance代表了一个实际运行的数据队列，包括了EventPaser,EventSink,EventStore等组件。

抽象了CanalInstanceGenerator，主要是考虑配置的管理方式：

• manager方式： 和你自己的内部web console/manager系统进行对接。(目前主要是公司内部使用)
• spring方式：基于spring xml + properties进行定义，构建spring配置.

Server设计

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server代表了一个canal的运行实例，为了方便组件化使用，特意抽象了Embeded(嵌入式) / Netty(网络访问)的两种实现

• Embeded : 对latency和可用性都有比较高的要求，自己又能hold住分布式的相关技术(比如failover)
• Netty : 基于netty封装了一层网络协议，由canal server保证其可用性，采用的pull模型，当然latency会稍微打点折扣，不过这个也视情况而定。(阿里系的notify和metaq，典型的push/pull模型，目前也逐步的在向pull模型靠拢，push在数据量大的时候会有一些问题)

增量订阅/消费设计

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具体的协议格式，可参见：CanalProtocol.proto

get/ack/rollback协议介绍：

• Message getWithoutAck(int batchSize)，允许指定batchSize，一次可以获取多条，每次返回的对象为Message，包含的内容为：
  a. batch id 唯一标识
  b. entries 具体的数据对象，对应的数据对象格式：EntryProtocol.proto
• void rollback(long batchId)，顾命思议，回滚上次的get请求，重新获取数据。基于get获取的batchId进行提交，避免误操作
• void ack(long batchId)，顾命思议，确认已经消费成功，通知server删除数据。基于get获取的batchId进行提交，避免误操作
  canal的get/ack/rollback协议和常规的jms协议有所不同，允许get/ack异步处理，比如可以连续调用get多次，后续异步按顺序提交ack/rollback，项目中称之为流式api.

流式api设计的好处：

• get/ack异步化，减少因ack带来的网络延迟和操作成本 (99%的状态都是处于正常状态，异常的rollback属于个别情况，没必要为个别的case牺牲整个性能)
• get获取数据后，业务消费存在瓶颈或者需要多进程/多线程消费时，可以不停的轮询get数据，不停的往后发送任务，提高并行化. (作者在实际业务中的一个case：业务数据消费需要跨中美网络，所以一次操作基本在200ms以上，为了减少延迟，所以需要实施并行化)

流式api设计：

• 每次get操作都会在meta中产生一个mark，mark标记会递增，保证运行过程中mark的唯一性
• 每次的get操作，都会在上一次的mark操作记录的cursor继续往后取，如果mark不存在，则在last ack cursor继续往后取
• 进行ack时，需要按照mark的顺序进行数序ack，不能跳跃ack. ack会删除当前的mark标记，并将对应的mark位置更新为last ack cusor
• 一旦出现异常情况，客户端可发起rollback情况，重新置位：删除所有的mark, 清理get请求位置，下次请求会从last ack cursor继续往后取

数据对象格式：EntryProtocol.proto

Entry
    Header
        logfileName [binlog文件名]
        logfileOffset [binlog position]
        executeTime [binlog里记录变更发生的时间戳]
        schemaName [数据库实例]
        tableName [表名]
        eventType [insert/update/delete类型]
    entryType   [事务头BEGIN/事务尾END/数据ROWDATA]
    storeValue  [byte数据,可展开，对应的类型为RowChange]

RowChange
    isDdl       [是否是ddl变更操作，比如create table/drop table]
    sql     [具体的ddl sql]
    rowDatas    [具体insert/update/delete的变更数据，可为多条，1个binlog event事件可对应多条变更，比如批处理]
        beforeColumns [Column类型的数组]
        afterColumns [Column类型的数组]

Column 
    index       [column序号]
    sqlType     [jdbc type]
    name        [column name]
    isKey       [是否为主键]
    updated     [是否发生过变更]
    isNull      [值是否为null]
    value       [具体的内容，注意为文本]

HA机制设计

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canal的ha分为两部分，canal server和canal client分别有对应的ha实现

• canal server: 为了减少对mysql dump的请求，不同server上的instance要求同一时间只能有一个处于running，其他的处于standby状态.
• canal client: 为了保证有序性，一份instance同一时间只能由一个canal client进行get/ack/rollback操作，否则客户端接收无法保证有序。

整个HA机制的控制主要是依赖了zookeeper的几个特性，watcher和EPHEMERAL节点(和session生命周期绑定)，可以看下我之前zookeeper的相关文章。

Canal Server:

大致步骤：

1. canal server要启动某个canal instance时都先向zookeeper进行一次尝试启动判断 (实现：创建EPHEMERAL节点，谁创建成功就允许谁启动)
2. 创建zookeeper节点成功后，对应的canal server就启动对应的canal instance，没有创建成功的canal instance就会处于standby状态
3. 一旦zookeeper发现canal server A创建的节点消失后，立即通知其他的canal server再次进行步骤1的操作，重新选出一个canal server启动instance.
4. canal client每次进行connect时，会首先向zookeeper询问当前是谁启动了canal instance，然后和其建立链接，一旦链接不可用，会重新尝试connect.

Canal Client的方式和canal server方式类似，也是利用zookeeper的抢占EPHEMERAL节点的方式进行控制.

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