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外观

Oracle RAC 架构 ​

Oracle RAC 架构概述 ​

Oracle Real Application Clusters (RAC) 是 Oracle 数据库的高可用性和可扩展性解决方案，允许多个数据库实例同时访问同一个数据库存储。RAC 通过共享存储和高速集群互连，实现了数据库的高可用性、负载均衡和水平扩展。RAC 适用于对可用性和性能要求较高的关键业务系统，如金融、电信、电子商务等。

RAC 的核心优势 ​

  • 高可用性：当单个节点故障时，其他节点可以继续提供服务，避免单点故障
  • 负载均衡：多个节点可以分担数据库负载，提高系统的整体性能
  • 水平扩展：可以通过添加节点轻松扩展系统容量，无需停机
  • 滚动升级：支持在不中断服务的情况下进行数据库升级和维护
  • 资源共享：多个节点共享存储和数据库资源，提高资源利用率

RAC 架构的基本概念 ​

  • 集群节点：参与 RAC 集群的服务器
  • 数据库实例：每个节点上运行的 Oracle 数据库实例
  • 共享存储：所有节点共享的存储设备，用于存储数据库文件
  • 集群互连：节点之间的高速通信网络，用于实例间通信
  • Clusterware：集群管理软件，负责节点管理、资源管理和故障检测

RAC 架构组件 ​

1. 硬件组件 ​

1.1 服务器节点 ​

  • 节点配置：每个节点通常配置相同的硬件规格，包括 CPU、内存、存储和网络
  • 节点数量：Oracle RAC 支持 2 到 128 个节点，具体取决于数据库版本和硬件限制

1.2 共享存储 ​

  • 存储类型：

    • 光纤通道存储区域网络 (FC SAN)
    • iSCSI SAN
    • Network Attached Storage (NAS)（需要特定配置）
    • Oracle Automatic Storage Management (ASM) 支持的存储

  • 存储配置：

    • 数据文件、控制文件、重做日志文件存储在共享存储上
    • 每个节点的参数文件 (spfile) 通常存储在共享存储上，或通过 Clusterware 管理

1.3 网络组件 ​

  • 公共网络：用于客户端连接和节点间的普通通信
  • 私有网络/集群互连：用于节点间的高速通信，如 Cache Fusion 数据传输
    • 推荐使用 InfiniBand 或 10Gbps 以上的以太网
    • 建议配置冗余的私有网络，提高可靠性

2. 软件组件 ​

2.1 Oracle Clusterware ​

Oracle Clusterware 是 RAC 集群的核心管理组件，负责：

  • 节点管理：节点的加入、退出和故障检测
  • 资源管理：数据库实例、监听器、服务等资源的管理
  • 故障转移：当节点故障时，将资源转移到其他节点
  • 集群时间同步：确保所有节点的时间一致

2.2 Oracle ASM (Automatic Storage Management) ​

ASM 是 Oracle 提供的存储管理解决方案，专为 Oracle 数据库设计：

  • 自动管理磁盘组、卷和文件
  • 提供条带化和镜像功能，提高性能和可靠性
  • 支持在线添加和移除磁盘
  • 简化存储管理，减少 DBA 工作量

2.3 Oracle Database with RAC Option ​

  • 包含 RAC 特定的数据库内核功能
  • 支持 Cache Fusion 技术，实现实例间的数据共享
  • 提供服务管理功能，支持客户端连接的负载均衡和故障转移

3. 核心技术组件 ​

3.1 Cache Fusion ​

Cache Fusion 是 RAC 的核心技术，允许不同节点的数据库实例共享缓冲区缓存：

  • 当一个节点需要访问另一个节点缓存中的数据块时，通过集群互连直接获取，无需从磁盘读取
  • 支持数据块的当前版本和一致性读取
  • 减少磁盘 I/O，提高系统性能
  • 确保数据的一致性和完整性

3.2 Global Resource Directory (GRD) ​

GRD 维护集群中所有资源的状态信息，包括：

  • 数据块的位置和状态
  • 锁和资源的持有者
  • 缓存一致性信息

3.3 服务管理 ​

RAC 服务允许将数据库工作负载分组和管理：

  • 可以为不同的应用程序创建不同的服务
  • 支持服务级别的负载均衡和故障转移
  • 允许在特定节点上运行特定服务
  • 支持服务的自动启动和停止

RAC 工作原理 ​

1. 实例启动流程 ​

  1. 节点上的 Oracle Clusterware 启动
  2. Clusterware 启动 ASM 实例（如果使用 ASM）
  3. Clusterware 启动数据库实例
  4. 数据库实例加入集群，注册到 GRD
  5. 实例开始接受客户端连接

2. 客户端连接流程 ​

  1. 客户端通过 SCAN (Single Client Access Name) 或节点 VIP 连接到数据库
  2. 监听器将连接请求转发到适当的节点
  3. 连接被分配到一个数据库实例
  4. 实例处理客户端请求，如有需要通过 Cache Fusion 访问其他节点的数据

3. 故障检测与恢复流程 ​

  1. Clusterware 定期向所有节点发送心跳信号
  2. 如果一个节点未能响应心跳，Clusterware 标记该节点为故障
  3. Clusterware 清理故障节点的资源
  4. 如果配置了故障转移，Clusterware 将故障节点上的服务转移到其他节点
  5. 其他节点继续提供服务，客户端可以重新连接

4. Cache Fusion 数据访问流程 ​

  1. 节点 A 需要访问一个数据块
  2. 检查本地缓冲区缓存，发现数据块不在本地
  3. 通过 GRD 查找数据块的位置（节点 B）
  4. 节点 B 将数据块通过集群互连发送到节点 A
  5. 节点 A 将数据块放入本地缓冲区缓存并处理请求

RAC 部署架构 ​

1. 标准 RAC 架构 ​

  • 2 个或多个节点共享同一存储
  • 每个节点运行一个数据库实例
  • 节点间通过私有网络通信
  • 客户端通过公共网络访问数据库

2. RAC One Node ​

  • 单节点 RAC 部署，提供高可用性但不提供负载均衡
  • 支持在线节点迁移，无需停机即可移动实例
  • 适合对可用性要求较高但负载较低的应用

3. Extended RAC ​

  • 节点分布在不同的地理位置，通过高速网络连接
  • 提供灾难恢复能力，当一个数据中心故障时，另一个数据中心可以继续提供服务
  • 对网络延迟要求较高，通常需要专用的高速网络

4. Flex Cluster ​

  • Oracle 12c 及以上版本支持的新型 RAC 架构
  • 分为 Hub 节点和 Leaf 节点
  • Hub 节点直接访问共享存储，Leaf 节点通过 Hub 节点访问存储
  • 支持更大规模的集群，最多 1000 个节点

RAC 配置与管理 ​

1. RAC 配置文件 ​

  • spfile：通常存储在共享存储上，或通过 ASM 管理
  • tnsnames.ora：配置客户端连接信息，包括 SCAN 和服务名
  • listener.ora：配置监听器，支持 RAC 特定的参数
  • sqlnet.ora：配置网络相关参数

2. 常用 RAC 管理命令 ​

2.1 集群状态检查 ​

sql
-- 检查集群状态
$ crsctl status cluster -all

-- 检查资源状态
$ crsctl status resource -all

-- 检查节点状态
$ olsnodes -a -i -s

2.2 实例管理 ​

sql
-- 启动所有实例
$ srvctl start database -d orcl

-- 启动特定实例
$ srvctl start instance -d orcl -i orcl1

-- 停止所有实例
$ srvctl stop database -d orcl

-- 停止特定实例
$ srvctl stop instance -d orcl -i orcl1

2.3 服务管理 ​

sql
-- 创建服务
$ srvctl add service -d orcl -s sales -r orcl1,orcl2 -a orcl3,orcl4 -P BASIC

-- 启动服务
$ srvctl start service -d orcl -s sales

-- 停止服务
$ srvctl stop service -d orcl -s sales

-- 修改服务
$ srvctl modify service -d orcl -s sales -r orcl1,orcl3 -a orcl2,orcl4

2.4 数据库参数管理 ​

sql
-- 修改集群级参数
ALTER SYSTEM SET parameter_name = value SCOPE=BOTH SID='*';

-- 修改特定实例参数
ALTER SYSTEM SET parameter_name = value SCOPE=BOTH SID='orcl1';

RAC 性能优化 ​

1. 硬件优化 ​

  • 使用高性能存储：如全闪存阵列，提高 I/O 性能
  • 配置高速集群互连：使用 InfiniBand 或 100Gbps 以太网
  • 均衡节点配置：确保所有节点的硬件规格相同
  • 足够的内存：每个节点配置足够的内存，减少 Cache Fusion 流量

2. 网络优化 ​

  • 分离公共网络和私有网络：使用不同的物理网络
  • 优化私有网络配置：调整网络参数，如 MTU、缓冲区大小等
  • 配置网络冗余：使用多网卡绑定提高可靠性

3. 数据库优化 ​

  • 使用服务管理：为不同的应用程序创建专用服务
  • 优化并行执行：根据节点数量调整并行度
  • 使用连接池：减少连接建立的开销
  • 优化 SQL 语句：减少不必要的数据访问和锁竞争

4. 存储优化 ​

  • 使用 ASM：简化存储管理，提高性能和可靠性
  • 合理配置磁盘组：根据 I/O 类型创建不同的磁盘组
  • 使用适当的条带大小：根据存储类型和 I/O 模式调整条带大小
  • 启用 ASM 智能数据分布：提高数据分布的均匀性

Oracle 19c 和 21c RAC 新特性 ​

Oracle 19c RAC 新特性 ​

1. 自动索引支持 ​

Oracle 19c RAC 支持自动索引功能，可以：

  • 自动创建、维护和删除索引
  • 支持跨节点的索引优化
  • 提高查询性能，减少 DBA 工作量

2. 增强的集群管理 ​

  • 简化了集群的安装和配置
  • 增强了集群的监控和诊断功能
  • 提高了集群的可靠性和可用性

3. 多租户支持增强 ​

  • 支持 PDB 级别的服务管理
  • 增强了 PDB 的迁移和管理功能
  • 提高了多租户环境下的性能和可扩展性

Oracle 21c RAC 新特性 ​

1. 增强的 Flex Cluster ​

  • 进一步简化了 Flex Cluster 的配置和管理
  • 增强了 Leaf 节点的功能和性能
  • 支持更多的节点数量

2. 自动集群配置 ​

  • 支持自动检测和配置集群环境
  • 简化了集群的部署和维护
  • 减少了人为错误的可能性

3. 增强的安全性 ​

  • 支持透明数据加密 (TDE) 对 RAC 数据的保护
  • 增强了集群通信的安全性
  • 支持更细粒度的访问控制

RAC 最佳实践 ​

1. 设计阶段最佳实践 ​

  • 评估业务需求：确定是否需要 RAC，以及需要的节点数量
  • 选择合适的硬件：根据工作负载选择合适的服务器、存储和网络
  • 设计合理的网络架构：分离公共网络和私有网络，配置冗余
  • 规划存储布局：使用 ASM，根据 I/O 类型创建不同的磁盘组

2. 部署阶段最佳实践 ​

  • 使用 Oracle 官方文档：参考官方文档进行安装和配置
  • 使用自动部署工具：如 Oracle Universal Installer (OUI) 或 Ansible
  • 进行彻底的测试：验证集群的高可用性、负载均衡和故障转移功能
  • 文档化配置：记录所有配置和参数设置

3. 运维阶段最佳实践 ​

  • 定期监控集群状态：使用 Grid Control、OEM 或命令行工具
  • 监控性能指标：如 Cache Fusion 流量、I/O 性能、节点负载等
  • 定期备份：包括数据库备份和 Clusterware 备份
  • 进行定期维护：如补丁应用、统计信息收集等
  • 制定故障恢复计划：包括节点故障、存储故障等场景的恢复流程

常见问题（FAQ） ​

Q1: 什么时候需要使用 Oracle RAC？ ​

A1: 当您的应用程序对可用性、可扩展性和性能有较高要求时，可以考虑使用 Oracle RAC。具体场景包括：

  • 关键业务系统，需要 24/7 可用性
  • 高并发应用，需要负载均衡
  • 快速增长的业务，需要水平扩展
  • 需要滚动升级和维护的系统

Q2: RAC 与 Data Guard 有什么区别？ ​

A2: RAC 和 Data Guard 是 Oracle 提供的两种不同的高可用性解决方案：

  • RAC 提供单个数据库的高可用性和负载均衡，所有节点共享同一存储
  • Data Guard 提供数据库的冗余和灾难恢复，主库和备库使用独立的存储
  • 两者可以结合使用，提供更高级别的可用性和灾难恢复能力

Q3: 如何监控 RAC 集群的性能？ ​

A3: 可以使用以下工具监控 RAC 集群的性能：

  • Oracle Enterprise Manager (OEM)：提供图形化的监控界面
  • AWR 和 ASH 报告：提供详细的性能分析
  • 集群健康监控工具：如 Cluster Health Monitor (CHM)
  • 操作系统命令：如 top、vmstat、iostat 等

Q4: 如何处理 RAC 节点故障？ ​

A4: 当 RAC 节点故障时，Clusterware 会自动处理：

  • 标记故障节点
  • 清理故障节点的资源
  • 将故障节点上的服务转移到其他节点
  • 客户端可以通过服务名重新连接到数据库

Q5: RAC 对应用程序有什么要求？ ​

A5: RAC 对应用程序的要求主要包括：

  • 应用程序应该是无状态的，或使用会话状态管理
  • 应用程序应该使用服务名连接数据库，而不是实例名
  • 应用程序应该处理连接中断和重新连接
  • 应用程序应该避免长时间持有锁

Q6: 如何扩展 RAC 集群？ ​

A6: 扩展 RAC 集群的步骤包括：

  • 准备新的服务器节点
  • 安装和配置 Clusterware
  • 将节点加入现有集群
  • 在新节点上安装数据库软件
  • 创建数据库实例
  • 配置服务和负载均衡

总结 ​

Oracle RAC 是一个强大的高可用性和可扩展性解决方案，通过共享存储和高速集群互连，实现了数据库的高可用性、负载均衡和水平扩展。RAC 适用于对可用性和性能要求较高的关键业务系统，如金融、电信、电子商务等。

RAC 架构包括硬件组件（服务器、存储、网络）和软件组件（Clusterware、ASM、数据库），核心技术包括 Cache Fusion、GRD 和服务管理。Oracle 19c 和 21c 引入了许多新特性，如自动索引、增强的集群管理和多租户支持等，进一步提高了 RAC 的性能、可靠性和易用性。

在设计、部署和运维 RAC 集群时，需要遵循最佳实践，包括评估业务需求、选择合适的硬件、设计合理的网络架构、使用 ASM、定期监控和维护等。通过合理的配置和管理，可以充分发挥 RAC 的优势，为业务提供高可用性、高性能的数据库服务。