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解读 MySQL Client/Server Protocol: Connection & Replication

MySQL 客户端与服务器之间的通信基于特定的 TCP 协定，本文将会详解其中的 Connection 和 Replication 局部，这两个局部别离对应的是客户端与服务器建设连贯、实现认证鉴权，以及客户端注册成为一个 slave 并获取 master 的 binlog 日志。

Connetcion Phase

MySQL 客户端想要与服务器进行通信，第一步就是须要胜利建设连贯，整个过程如下图所示：

1. client 发动一个 TCP 连贯。
2. server 响应一个 Initial Handshake Packet（初始化握手包），内容会蕴含一个默认的认证形式。
3. 这一步是可选的，单方建设 SSL 加密连贯。
4. client 回应 Handshake Response Packet，内容须要包含用户名和依照指定形式进行加密后的明码数据。
5. server 响应 OK_Packet 确认认证胜利，或者 ERR_Packet 示意认证失败并敞开连贯。

Packet

一个 Packet 其实就是一个 TCP 包，所有包都有一个最根本的构造：

如上图所示，所有包都能够看作由 header 和 body 两局部形成：第一局部 header 总共有 4 个字节，3 个字节用来标识 body 即 payload 的大小，1 个字节记录 sequence ID；第二局部 body 就是 payload 理论的负载数据。

因为 payload length 只有 3 个字节来记录，所以一个 packet 的 payload 的大小不能超过 2^24 = 16 MB，示例：

Packet :

• 当数据不超过 16 MB 时，精确来说是 payload 的大小不超过 2^24-1 Byte（三个字节所能示意的最大整数 0xFFFFFF），发送一个 packet 就够了。
• 当数据大小超过了 16 MB 时，就须要把数据切分成多个 packet 传输。
• 当数据 payload 的刚好是 2^24-1 Byte 时，一个包尽管足够了，然而为了示意数据传输结束，依然会多传一个 payload 为空的 packet。

Sequence ID：包的序列号，从 0 开始递增。在一个残缺的会话过程中，每个包的序列号顺次加一，当开始一个新的会话时，序列号从新从 0 开始。例如：在建设连贯的阶段，server 发送 Initial Handshake Packet（Sequence ID 为 0），client 回应 Handshake Response Packet（Sequence ID 为 1），server 再响应 OK_Packet 或者 ERR_Packet（Sequence ID 为 2），而后建设连贯的阶段就完结了，再有后续的命令数据，包的 Sequence ID 就从新从 0 开始；在命令阶段（client 向 server 发送增删改查这些都属于命令阶段），一个命令的申请和响应就能够看作一个残缺的会话过程，比方 client 先向 server 发送了一个查问申请，而后 server 对这个查问申请进行了响应，那么这一次会话就完结了，下一个命令就是新的会话，Sequence ID 也就从新从 0 开始递增。

Initial Handshake Packet <span id=”Initial_Handshake_Packet”></span>

建设连贯时，当客户端发动一个 TCP 连贯后，MySQL 服务端就会回应一个 Initial Handshake Packet，这个初始化握手包的数据格式如下图所示：

这个图从上往下顺次是：

• 1 个字节的整数，示意 handshake protocol 的版本，当初都是 10。
• 以 NUL（即一个字节 0x00）结尾的字符串，示意 MySQL 服务器的版本，例如 5.7.18-log。
• 4 个字节的整数，示意线程 id，也是这个连贯的 id。
• 8 个字节的字符串，auth-plugin-data-part-1 后续明码加密须要用到的随机数的前 8 位。
• 1 个字节的填充位。
• 2 个字节的整数，capability_flags_1 即 Capabilities Flags 的低位 2 位字节。
• 1 个字节的整数，示意服务器默认的字符编码格局，比方 utf8_general_ci。
• 2 个字节的整数，服务器的状态标识。
• 2 个字节的整数，capability_flags_2 即 Capabilities Flags 的高位 2 位字节。
• 1 个字节的整数，如果服务器具备 CLIENT_PLUGIN_AUTH 的能力（其实就是可能进行客户端身份验证，根本都反对），那么传递的是 auth_plugin_data_len 即加密随机数的长度，否则传递的是 0x00。
• 10 个字节的填充位，全副是 0x00。
• 由 auth_plugin_data_len 指定长度的字符串，auth-plugin-data-part-2 加密随机数的后 13 位。
• 如果服务器具备 CLIENT_PLUGIN_AUTH 的能力（其实就是可能进行客户端身份验证，根本都反对），那么传递的是 auth_plugin_name 即用户认证形式的名称。

对于 MySQL 5.x 版本，默认的用户身份认证形式叫做 mysql_native_password（对应下面的 auth_plugin_name），这种认证形式的算法是：

SHA1(password) XOR SHA1("20-bytes random data from server" <concat> SHA1( SHA1( password) ) )

其中加密所需的 20 个字节的随机数就是 auth-plugin-data-part-1（8 位数）和 auth-plugin-data-part-2（13 位中的前 12 位数）组成。

留神：MySQL 应用的小端字节序。

看到这，你可能还对 Capabilities Flags 感到很困惑。

Capabilities Flags

Capabilities Flags 其实就是一个性能标记，用来表明服务端和客户端反对并心愿应用哪些性能。为什么须要这个性能标记？因为首先 MySQL 有泛滥版本，每个版本可能反对的性能有区别，所以服务端须要表明它反对哪些性能；其次，对服务端来说，连贯它的客户端能够是各种各样的，这些客户端心愿应用哪些性能也是须要表明的。

Capabilities Flags 个别是 4 个字节的整数：

如上图所示，每个性能都独占一个 bit 位。

Capabilities Flags 通常都是多个性能的组合示意，例如要示意 CLIENT_PROTOCOL_41、CLIENT_PLUGIN_AUTH、CLIENT_SECURE_CONNECTION 这三个性能，那么就把他们对应的 0x00000200、0x00080000、0x00008000 进行比特位或运算就能失去最终的值 0x00088200 也就是最终的 Capabilities Flags。

依据 Capabilities Flags 判断是否反对某个性能，例如 Capabilities Flags 的值是 0x00088200，要判断它是否反对 CLIENT_SECURE_CONNECTION 的性能，则间接进行比特位与运算即可，即 Capabilities Flags & CLIENT_SECURE_CONNECTION == CLIENT_SECURE_CONNECTION。

Handshake Response Packet <span id=”Handshake_Response_Packet”></span>

建设连贯的过程中，当客户端收到了服务端的 Initial Handshake Packet 后，须要向服务端回应一个 Handshake Response Packet，包的数据格式如下图所示：

顺次是：

• 4 个字节的整数，Capabilities Flags，肯定要设置 CLIENT_PROTOCOL_41，对于 MySQL 5.x 版本，应用默认的身份认证形式，还须要对应的设置 CLIENT_PLUGIN_AUTH 和 CLIENT_SECURE_CONNECTION。
• 4 个字节的整数，包大小的最大值，这里指的是命令包的大小，比方一条 SQL 最多能多大。
• 1 个字节的整数，字符编码方式。
• 23 个字节的填充位，全是 0x00。
• 以 NUL（0x00）结尾的字符串，登录的用户名。
• CLIENT_PLUGIN_AUTH_LENENC_CLIENT_DATA 个别不应用。
• 1 个字节的整数，auth_response_length，明码加密后的长度。
• auth_response_length 指定长度的字符串，明码与随机数加密后的数据。
• 如果 CLIENT_CONNECT_WITH_DB 间接指定了连贯的数据库，则须要传递以 NUL（0x00）结尾的字符串，内容是数据库名。
• CLIENT_PLUGIN_AUTH 个别都须要，默认形式须要传递的值就是 mysql_native_password。

能够看到，Handshake Response Packet 与 Initial Handshake Packet 其实是绝对应的。

OK_Packet & ERR_Packet <span id=”OK_ERR”></span>

OK_Packet 和 ERR_Packet 是 MySQL 服务端通用的响应包。

MySQL 5.7.5 版本当前，OK_Packet 还蕴含了 EOF_Packet（用来显示正告和状态信息）。辨别 OK_Packet 和 EOF_Packet:

• OK: header = 0x00 and length of packet > 7
• EOF: header = 0xfe and length of packet < 9

MySQL 5.7.5 版本之前，EOF_Packet 是一个独自格局的包：

如果身份认证通过、连贯建设胜利，返回的 OK_Packet 就会是：

0x07 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00

如果连贯失败，或者呈现谬误则会返回 ERR_Packet 格局的包：

Replication

想要获取到 master 的 binlog 吗？只有你对接实现 replication 协定即可。

1. client 与 server 之间胜利建设连贯、实现身份认证，这个过程就是上文所述的 connection phase。
2. client 向 server 发送 COM_REGISTER_SLAVE 包，表明要注册成为一个 slave，server 响应 OK_Packet 或者 ERR_Packet，只有胜利能力进行后续步骤。
3. client 向 server 发送 COM_BINLOG_DUMP 包，表明要开始获取 binlog 的内容。

4. server 响应数据，可能是：

   • binlog network stream（binlog 网络流）。
   • ERR_Packet，示意有谬误产生。
   • EOF_Packet，如果 COM_BINLOG_DUMP 中的 flags 设置为了 0x01，则在 binlog 没有更多新事件时发送 EOF_Packet，而不是阻塞连贯持续期待后续 binlog event。

COM_REGISTER_SLAVE

客户端向 MySQL 发送 COM_REGISTER_SLAVE，表明它要注册成为一个 slave，包格局如下图：

除了 1 个字节的固定内容 0x15 和 4 个字节的 server-id，其余内容通常都是空或者疏忽，须要留神的是这里的 user 和 password 并不是登录 MySQL 的用户名和明码，只是 slave 的一种标识而已。

COM_BINLOG_DUMP

注册成为 slave 之后，发送 COM_BINLOG_DUMP 就能够开始承受 binlog event 了。

• 1 个字节的整数，固定内容 0x12。
• 4 个字节的整数，binlog-pos 即 binlog 文件开始的地位。
• 2 个字节的整数，flags，个别状况下 slave 会始终放弃连贯期待承受 binlog event，然而当 flags 设置为了 0x01 时，如果以后 binlog 全副接管完了，则服务端会发送 EOF_Packet 而后完结整个过程，而不是放弃连贯持续期待后续 binlog event。
• 4 个字节的整数，server-id，slave 的身份标识，MySQL 能够同时存在多个 slave，每个 slave 必须领有不同的 server-id。
• 不定长字符串，binlog-filename，开始的 binlog 文件名。查看以后的 binlog 文件名和 pos 地位，能够执行 SQL 语句 show master status，查看所有的 binlog 文件，能够执行 SQL 语句 show binary logs。

Binlog Event

客户端注册 slave 胜利，并且发送 COM_BINLOG_DUMP 正确，那么 MySQL 就会向客户端发送 binlog network stream 即 binlog 网络流，所谓的 binlog 网络流其实就是源源不断的 binlog event 包（对 MySQL 进行的操作，例如 inset、update、delete 等，在 binlog 中是以一个或多个 binlog event 的模式存在的）。

Replication 的两种形式：

• 异步，默认形式，master 一直地向 slave 发送 binlog event，无需 slave 进行 ack 确认。
• 半同步，master 向 slave 每发送一个 binlog event 都须要期待 ack 确认回复。

Binlog 有三种模式：

• statement，binlog 存储的是原始 SQL 语句。
• row，binlog 存储的是每行的理论前后变动。
• mixed，混合模式，binlog 存储的一部分是 SQL 语句，一部分是每行变动。

Binlog Event 的包格局如下图：

每个 Binlog Event 包都有一个确定的 event header，依据 event 类型的不同，可能还会有 post header 以及 payload。

Binlog Event 的类型十分多：

• Binlog Management:

  • START_EVENT_V3
  • FORMAT_DESCRIPTION_EVENT: MySQL 5.x 及以上版本 binlog 文件中的第一个 event，内容是 binlog 的根本形容信息。
  • STOP_EVENT
  • ROTATE_EVENT: binlog 文件产生了切换，binlog 文件中的最初一个 event。
  • SLAVE_EVENT
  • INCIDENT_EVENT
  • HEARTBEAT_EVENT: 心跳信息，表明 slave 落后了 master 多少秒（执行 SQL 语句 SHOW SLAVE STATUS 输入的 Seconds_Behind_Master 字段）。

• Statement Based Replication Events（binlog 为 statement 模式时相干的事件）:

  • QUERY_EVENT: 原始 SQL 语句，例如 insert、update …。
  • INTVAR_EVENT: 基于会话变量的整数，例如把主键设置为了 auto_increment 自增整数，那么进行插入时，这个字段理论写入的值就记录在这个事件中。
  • RAND_EVENT: 外部 RAND() 函数的状态。
  • USER_VAR_EVENT: 用户变量事件。
  • XID_EVENT: 记录事务 ID，事务 commit 提交了才会写入。

• Row Based Replication Events（binlog 为 row 模式时相干的事件）:

  • TABLE_MAP_EVENT: 记录了后续事件波及到的表构造的映射关系。
  • v0 事件对应 MySQL 5.1.0 to 5.1.15 版本
  • DELETE_ROWS_EVENTv0: 记录了行数据的删除。
  • UPDATE_ROWS_EVENTv0: 记录了行数据的更新。
  • WRITE_ROWS_EVENTv0: 记录了行数据的新增。
  • v1 事件对应 MySQL 5.1.15 to 5.6.x 版本
  • DELETE_ROWS_EVENTv1: 记录了行数据的删除。
  • UPDATE_ROWS_EVENTv1: 记录了行数据的更新。
  • WRITE_ROWS_EVENTv1: 记录了行数据的新增。
  • v2 事件对应 MySQL 5.6.x 及其以上版本
  • DELETE_ROWS_EVENTv2: 记录了行数据的删除。
  • UPDATE_ROWS_EVENTv2: 记录了行数据的更新。
  • WRITE_ROWS_EVENTv2: 记录了行数据的新增。

• LOAD INFILE replication（加载文件的非凡场景，本文不做介绍）:

  • LOAD_EVENT
  • CREATE_FILE_EVENT
  • APPEND_BLOCK_EVENT
  • EXEC_LOAD_EVENT
  • DELETE_FILE_EVENT
  • NEW_LOAD_EVENT
  • BEGIN_LOAD_QUERY_EVENT
  • EXECUTE_LOAD_QUERY_EVENT

想要解析具体某个 binlog event 的内容，只有对照官网文档数据包的格局即可。

结语

MySQL Client/Server Protocol 协定其实很简略，就是相互之间依照约定的格局发包，而了解了协定，置信你本人就能够实现一个 lib 去注册成为一个 slave 而后解析 binlog。