Replikation

Auf dieser Seite wird beschrieben, wie Daten in Spanner repliziert werden, welche verschiedenen Typen von Spanner-Replikaten es gibt, welche Rollen sie bei Lese-/Schreibvorgängen spielen und was die Vorteile der Replikation sind.

Übersicht

Spanner repliziert automatisch auf Byte-Ebene. Wie im Artikel Lebensdauer von Lese- und Schreibvorgängen in Cloud Spanner beschrieben, nutzt Cloud Spanner diese Funktion des zugrunde liegenden Dateisystems. Spanner schreibt Datenbankmutationen in Dateien dieses Dateisystems. Das Dateisystem übernimmt dann die Replikation und Wiederherstellung der Dateien, wenn ein Computer oder ein Laufwerk ausfällt.

Obwohl das zugrunde liegende verteilte Dateisystem, auf dem Spanner basiert, bereits Replikation auf Byte-Ebene bietet, repliziert auch Spanner Daten, um Ihnen die zusätzlichen Vorteile von Datenverfügbarkeit und geografischer Präsenz zu bieten. Auf übergeordneter Ebene sind alle Daten in Spanner in Zeilen organisiert. Spanner erstellt mehrere Kopien, sogenannte Replikate, dieser Zeilen und speichert sie dann an verschiedenen geografischen Orten. Spanner verwendet ein synchrones, Paxos-basiertes Replikationsschema, bei dem abstimmende Replikate vor jeder Schreibanfrage eine Abstimmung vornehmen, bevor der Schreibvorgang festgeschrieben wird. Mit dieser weltweit synchronen Replikation können Sie die aktuellsten Daten aus allen nicht schreibgeschützten und schreibgeschützten Spanner-Replikaten auslesen.

Spanner erstellt Replikate jedes Datenbank-Splits. Ein Split enthält einen Bereich von zusammenhängenden Zeilen, wobei die Zeilen nach Primärschlüssel geordnet sind. Alle Daten eines Splits werden im Replikat zusammen gespeichert und Spanner stellt jedes Replikat aus einer unabhängigen Ausfallzone heraus bereit. Weitere Informationen finden Sie in der Übersicht über Schemas.

Ein Satz von Splits wird mithilfe von Paxos gespeichert und repliziert. In jedem Paxos-Replikatset wird eines der Replikate dazu bestimmt, als Leader zu fungieren. Leader-Replikate sind für das Verarbeiten von Schreibvorgängen verantwortlich. Eine Leseanfrage kann dagegen von jedem nicht schreibgeschützten und jedem schreibgeschützten Replikat verarbeitet werden, ohne dass es mit dem Leader kommunizieren muss. Wenn eine starke Leseanfrage gestellt wird, wird in der Regel der Leader konsultiert, um sicherzustellen, dass das schreibgeschützte Replikat alle letzten Mutationen erhalten hat. Informationen zum Überwachen der Änderungsrate und der Datenmenge, die von Ihrem Hauptreplikat an die replizierten Datenbanken in Ihrer Instanzkonfiguration übertragen werden, finden Sie unter Datenreplizierung überwachen.

Vorteile der Spanner-Replikation

Die Spanner-Replikation bietet folgende Vorteile:

  • Datenverfügbarkeit: Wenn Sie mehrere Kopien Ihrer Daten haben, sind diese für Clients, die die Daten auslesen möchten, besser verfügbar. Außerdem kann Spanner selbst dann Schreibvorgänge verarbeiten, wenn einige der Replikate nicht verfügbar sind. Es reicht nämlich aus, wenn eine Mehrheit der abstimmenden Replikate verfügbar ist, damit ein Schreibvorgang festgeschrieben werden kann.

  • Geografische Präsenz: Daten mit Spanner auf verschiedene Regionen und Kontinente verteilen zu können, bedeutet, dass Daten geografisch weniger weit von den benötigten Nutzern und Diensten entfernt sind und die Daten somit schneller zugänglich sind.

  • Einheitliche Datenbankerfahrung: Aufgrund der synchronen Replikation und der weltweit hohen Konsistenz bietet Spanner eine einheitliche Datenbankerfahrung.

  • Erleichterte Anwendungsentwicklung: Da Spanner ACID-konform ist und weltweite starke Konsistenz bietet, müssen Entwickler, die mit Spanner arbeiten, ihren Anwendungen keine zusätzliche Logik für den Umgang mit der eventualen Konsistenz hinzufügen. Dies beschleunigt und erleichtert die Anwendungsentwicklung und nachfolgende Wartung.

Replikattypen

Spanner verfügt über drei Replikattypen: Nicht schreibgeschützte Replikate, schreibgeschützte Replikate und Zeugenreplikate. Die Regionen und Replikationstopologien, die Basisinstanzkonfigurationen bilden, sind festgelegt:

Sie können benutzerdefinierte Instanzkonfigurationen erstellen und zusätzliche schreibgeschützte Replikate für regionale und multiregionale Instanzkonfigurationen hinzufügen.

In der folgenden Tabelle sind die Typen von Spanner-Replikaten und ihre Eigenschaften zusammengefasst:

Replikattyp Kann abstimmen Kann Leader werden Kann Lesevorgänge verarbeiten Replik kann manuell konfiguriert werden
Nicht schreibgeschützt Ja Ja Ja no
Schreibgeschützt Nein Nein Ja Ja*
Zeugen Ja Nein Nein no

* Weitere Informationen finden Sie unter Instanz mit benutzerdefinierter Instanzkonfiguration erstellen.

Replikate mit Lese-/Schreibzugriff

Nicht schreibgeschützte Replikate unterstützen sowohl Lese-, als auch Schreibvorgänge. Diese Replikate besitzen folgende Eigenschaften:

  • Sie bewahren eine vollständige Kopie Ihrer Daten auf.
  • Sie verarbeiten Lesevorgänge.
  • Sie können abstimmen, ob ein Schreibvorgang festgeschrieben werden soll.
  • Sie wirken beim Bestimmen des Leaders mit.
  • Sie können als Leader fungieren.
  • Sie sind der einzige Replikatyp, der in regionalen Instanzen verwendet wird.

Replikate mit Lesezugriff

Schreibgeschützte Replikate unterstützen Lesevorgänge, aber keine Schreibvorgänge. Sie stimmen weder bei der Wahl des Leaders ab, noch darüber, ob Schreibvorgänge festgeschrieben werden sollen. Mithilfe schreibgeschützter Replikate können Sie somit Ihre Lesekapazität skalieren, ohne dass sich die Größe des Quorums erhöht, das für Schreibvorgänge erforderlich ist. Schreibgeschützte Replikate zeichnen sich durch Folgendes aus:

  • Sie bewahren eine vollständige Kopie Ihrer Daten auf, die aus dem führenden Lese-/Schreib-Replikat repliziert wurde.
  • Sie stimmen nicht darüber ab, ob Schreibvorgänge festgeschrieben werden sollen. Daher besitzt der Speicherort der schreibgeschützten Replikate keinen Einfluss auf die Schreiblatenz.
  • Sie können nicht als Leader fungieren.
  • Sie verarbeiten Lesevorgänge.

  • Wenn es sich um das Replikat handelt, das Ihrer Anwendung am nächsten liegt, kann das schreibgeschützte Replikat in der Regel veraltete Lesevorgänge verarbeiten, ohne dass eine Umlaufkommunikation mit der führenden Region erforderlich ist, vorausgesetzt, dass die Veralterung mindestens 15 Sekunden beträgt. Sie können auch gezielte Lesevorgänge verwenden, um schreibgeschützte Transaktionen und einzelne Lesevorgänge an einen bestimmten Replikatyp oder eine Region in einer multiregionalen Instanzkonfiguration weiterzuleiten. Weitere Informationen finden Sie unter Direkte Lesevorgänge.

    Starke Lesevorgänge erfordern möglicherweise eine Umlaufkommunikation mit dem Leader-Replikat. Der Rückweg dient nur zum Verhandeln des Zeitstempels, nicht zum Senden der tatsächlichen Daten vom Leiter. Die Zeitstempelverhandlung ist ein CPU-effizienter Vorgang beim Leader und die Daten sind in der Regel bereits unterwegs. Diese Kommunikation wird vom System automatisch verarbeitet.

    Weitere Informationen zu veralteten und starken Lesevorgängen finden Sie im Abschnitt Lesevorgänge.

Optionale Replikate mit Lesezugriff

Sie können eine benutzerdefinierte regionale oder mehrregionale Instanzkonfiguration erstellen und optionale Lesereplikate hinzufügen, um Lesevorgänge zu skalieren und veraltete Lesevorgänge mit niedriger Latenz zu unterstützen. Sie können Standorte, die unter Optionale Region aufgeführt sind, als optionales schreibgeschütztes Replikat hinzufügen. Wenn der von Ihnen ausgewählte Speicherort für das schreibgeschützte Replikat nicht angezeigt wird, können Sie eine neue optionale Region für schreibgeschützte Replikate anfordern.

Für alle optionalen Replikate mit Lesezugriff fallen Kosten für Rechenkapazität, Speicher und Replikation an. Außerdem ändern sich durch das Hinzufügen von schreibgeschützten Replikaten zu einer benutzerdefinierten Instanzkonfiguration die SLAs von Spanner für die Instanzkonfiguration nicht. Wenn Sie einem Kontinent, der sich auf einem anderen Kontinent als die führende Region befindet, ein schreibgeschütztes Replikat hinzufügen möchten, empfehlen wir mindestens zwei schreibgeschützte Replikate. So wird eine geringe Leselatenz bei einem Ausfall eines der schreibgeschützten Replikate aufrechterhalten.

Es hat sich bewährt, Leistungsarbeitslasten zuerst in Nicht-Produktionsinstanzen in der benutzerdefinierten Instanzkonfiguration zu testen. Im Dashboard für den Benchmark zur regionenübergreifenden Latenz und zum regionenübergreifenden Durchsatz finden Sie Medianwerte für die regionenübergreifende Latenz. Wenn Sie beispielsweise eine benutzerdefinierte Instanzkonfiguration mit der multiregionalen Basiskonfiguration eur6 und einem optionalen schreibgeschützten Replikat in us-east1 erstellen, beträgt die erwartete Latenz für starke Lesevorgänge für einen Client in us-east1 aufgrund der RTT zur Führungsregion in europe-west4 etwa 100 Millisekunden. Veraltete Lesevorgänge mit ausreichender Veralterung erfordern keinen zusätzlichen Verbindungsaufbau und sind daher viel schneller. Mit den Informationen zu Sperren und Transaktionen können Sie auch Transaktionen identifizieren, die zu hohen Latenzen führen.

Eine Anleitung zum Hinzufügen optionaler Lesezugriffsreplikate finden Sie unter Benutzerdefinierte Instanzkonfiguration erstellen.

Zeugenreplikate

Zeugenreplikate unterstützen keine Lesevorgänge, stimmen jedoch darüber ab, ob Schreibvorgänge festgeschrieben werden. Sie erleichtern das Erreichen von Schreibquoren, ohne dass die Speicher- und Rechenressourcen benötigt werden, die nicht schreibgeschützte Replikate erfordern, um eine vollständige Kopie der Daten zu speichern und Lesevorgänge auszuführen. Zeugenreplikate zeichnen sich durch Folgendes aus:

  • Sie werden in dual-regionalen und multiregionalen Instanzen verwendet.
  • Sie bewahren keine vollständige Kopie Ihrer Daten auf.
  • Sie verarbeiten keine Lesevorgänge.
  • Sie stimmen darüber ab, ob Schreibvorgänge festgeschrieben werden sollen.
  • Sie wirken beim Bestimmen des Leaders mit, können aber selbst nicht als Leader-Replik fungieren.

Die Rolle von Replikaten bei Schreib- und Lesevorgängen

In diesem Abschnitt werden die Rollen von Replikaten bei Spanner-Schreibvorgängen und -Lesevorgängen beschrieben. Dies ist hilfreich, um zu verstehen, warum Spanner in Dual-Region- und Multi-Region-Konfigurationen Zeugenreplikate verwendet.

Bei Schreibvorgängen

Client-Schreibanforderungen werden immer zuerst am Leader-Replikat verarbeitet, selbst wenn sich ein Replikat, das nicht als Leader fungiert, näher am Client befindet oder das Leader-Replikat vom Client geografisch weit entfernt ist. Wenn Sie eine Instanzkonfiguration mit zwei oder mehreren Regionen verwenden und sich Ihre Clientanwendung in einer anderen Region als der führenden Region befindet, verwendet Spanner das Leader-fähige Routing, um Lese-Schreib-Transaktionen dynamisch zu leiten und so die Latenz in Ihrer Datenbank zu reduzieren. Weitere Informationen finden Sie unter Leiter-orientiertes Routing.

Das Leader-Replikat protokolliert den eingehenden Schreibvorgang und leitet ihn parallel an die Replikate weiter, die über diesen Schreibvorgang abstimmen dürfen. Jedes stimmberechtigte Replikat schließt seinen Schreibvorgang ab und teilt dem Leader dann mit, ob der Schreibvorgang festgeschrieben werden soll. Der Schreibvorgang wird festgeschrieben, wenn eine Mehrheit der abstimmenden Replikate (bzw. das Schreibquorum) dafür stimmt, den Schreibvorgang festzuschreiben. Im Hintergrund protokollieren alle verbleibenden Replikate außer den Zeugenreplikaten den Schreibvorgang. Wenn ein nicht schreibgeschütztes oder ein schreibgeschütztes Replikat beim Protokollieren von Schreibvorgängen in Rückstand gerät, kann es die fehlenden Daten von einem anderen Replikat anfordern, damit es eine vollständige, aktuelle Kopie der Daten besitzt.

Bei Lesevorgängen

Für Client-Leseanforderungen wird möglicherweise das Leader-Replikat verwendet bzw. erfordert eine Kommunikation mit diesem. Dies hängt vom Gleichzeitigkeitsmodus der Leseanforderung ab.

  • Lesevorgänge, die Teil einer Lese-Schreib-Transaktion sind, werden vom Leader-Replikat verarbeitet, da das Leader-Replikat die zum Erzwingen der Serialisierbarkeit erforderlichen Sperren beibehält.

  • Einzelne Leseaufrufe (ein Lesevorgang außerhalb des Kontexts einer Transaktion) und Lesevorgänge in schreibgeschützten Transaktionen erfordern möglicherweise eine Kommunikation mit dem Leader. Dies hängt vom Gleichzeitigkeitsmodus des Lesevorgangs ab. Weitere Informationen zu den Gleichzeitigkeitsmodi finden Sie unter Lesetypen.

    • Starke Leseanforderungen können an jedes nicht schreibgeschützte oder schreibgeschützte Replikat gesendet werden. Wenn die Anforderung an ein Replikat gesendet wird, das nicht als Leader fungiert, muss dieses mit dem Leader kommunizieren, um den Lesevorgang ausführen zu können.

    • Veraltete Leseanfragen werden an das am nächsten liegende, verfügbare Replikat mit oder ohne Schreibschutz weitergeleitet, welches so aktuell ist, wie der Zeitstempel der Anforderung es erfordert. Dies kann das Leader-Replikat sein, wenn sich kein anderes Replikat näher an dem Client befindet, der die Leseanfrage ausgegeben hat.

Datenreplikation überwachen

Sie können die Änderungsrate und die Menge der Daten überwachen, die von Ihrem Hauptreplikat an die replizierten Datenbanken in Ihrer Instanzkonfiguration übertragen werden. Die Änderungsrate wird in Byte pro Sekunde und die Datenmenge in Byte angegeben. Verwenden Sie dazu den Monitoring-Messwert Zwischen Regionen replizierte Bytes (instance/cross_region_replicated_bytes_count).

So rufen Sie diesen Messwert in der Google Cloud -Console auf:

  1. Rufen Sie in der Google Cloud -Konsole Monitoring auf:

    Zu Monitoring

  2. Wählen Sie im Navigationsmenü Metrics Explorer aus.

  3. Klicken Sie im Feld Messwert auf das Drop-down-Menü Messwert auswählen.

  4. Wählen Sie im Feld Nach Ressourcen- oder Messwertnamen filtern die Option Cloud Spanner-Instanz > Instanz > Zwischen Regionen replizierte Bytes aus und klicken Sie dann auf Übernehmen.

    Dieser Messwert ist nur unter Aktive Messwerte verfügbar, wenn in Ihrer Instanz eine zwischen Regionen laufende Replikation stattfindet. Andernfalls wird er unter Inaktive Messwerte angezeigt. Standardmäßig werden in der Benutzeroberfläche nur aktive Messwerte gefiltert und angezeigt. Entfernen Sie das Häkchen bei Aktiv, um sowohl aktive als auch inaktive Messwerte zu sehen.

    Das Diagramm zeigt die Änderungsrate (in Byte pro Sekunde) der replizierten Daten in allen Spanner-Instanzen im angegebenen Zeitraum.

  5. Optional: Wenn Sie die replizierte Datenmenge (in Byte) anstelle der Änderungsrate anzeigen lassen möchten, gehen Sie so vor:

    1. Klicken Sie im Feld Aggregation auf das Drop-down-Menü Summe und wählen Sie Ausrichtung konfigurieren aus.
    2. Klicken Sie im Feld Ausrichtungsfunktion auf das Drop-down-Menü Rate und wählen Sie Delta aus.

    3. Wählen Sie als Tabellentyp Tabelle oder Beide anstelle von „Diagramm“ aus.

      Die Tabelle enthält die Datenmenge (in Byte), die im angegebenen Zeitraum repliziert wurde.

  6. Optional: So rufen Sie die Nutzung für eine bestimmte Instanz oder ein bestimmtes Attribut auf:

    1. Verwenden Sie das Feld Filter, um Filter wie eine Instanz-ID, eine Datenbank-ID, eine Quellregion, eine Zielregion oder ein Tag hinzuzufügen.
    2. Klicken Sie auf Filter hinzufügen, um mehrere Filter hinzuzufügen.

Eine vollständige Liste der Google Cloud -Messwerte finden Sie unter Google Cloud -Messwerte.

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