Redis主从复制、哨兵、集群详解

【补充】
高可用:(总时间-宕机时间)/总时间,目标是99.999%

主从复制

为了避免单点Redis服务器故障,准备多台服务器,互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服
务器上,连接在一起,并保证数据是同步的。即使有其中一台服务器宕机,其他服务器依然可以继续
提供服务,实现Redis的高可用,同时实现数据冗余备份。

提供数据方:master
接收数据方:slave

从机通常不允许写,当主机宕机,需要临时推选出一个从机代替主机工作。

作用

  • 读写分离:master写、slave读,提高服务器的负载能力。
  • 负载均衡:基于主从结构,配合读写分离,由slave分担master负载,并根据需求的变化,改变slave的数
    量,通过多个从节点分担数据读取负载,大大提高Redis服务器并发量与数据吞吐量
  • 故障恢复:当master出现问题时,由slave提供服务,实现快速的故障恢复
  • 数据冗余:实现数据热备份,是持久化之外的一种数据冗余方式
  • 高可用基石:基于主从复制,构建哨兵模式与集群,实现Redis的高可用方案

工作流程

主从复制过程大体可以分为3个阶段
+ 建立连接阶段(即准备阶段)
+ 数据同步阶段
+ 命令传播阶段

建立连接

建立slave到master的连接,使master能够识别slave,并保存slave端口号

步骤1:设置master的地址和端口,保存master信息

步骤2:建立socket连接

步骤3:发送ping命令(定时器任务)(断开重连)

步骤4:身份验证

步骤5:发送slave端口信息

具体实现:

设置master信息:

  • 方式一:客户端发送命令slaveof <masterip> <masterport>
  • 方式二:启动服务器参数redis-server -slaveof <masterip> <masterport>
  • 方式三:服务器配置slaveof <masterip> <masterport>

断开方式:slaveof no one

配置授权认证:

master设置密码的方法:

  • 配置文件:requirepass <password>
  • 指令设置密码:config set requirepass <password>

slave密码认证方法:

  • 指令:auth <password>
  • 启动客户端参数:redis-cli -a <password>
  • 配置文件:masterauth <password>

数据同步

  • 在slave初次连接master后,复制master中的所有数据到slave
  • 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

连接后的第一次同步是全量复制

  • slave发送指令:psync2
  • master执行bgsave,产生rdb文件,这段时间内执行的指令放在命令缓冲区中
  • master将rdb文件发给slave
  • slave从rdb文件中恢复数据

然后是部分(增量)复制

  • master将命令缓冲区中指令以aof的格式发送给slave
  • slave执行指令以同步

数据同步阶段master说明:

  1. 如果master数据量巨大,数据同步阶段应避开流量高峰期,避免造成master阻塞,影响业务正常执行
  2. 复制缓冲区大小设定不合理,会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长,进行部分复制时发现数据已经存在丢失的情况,必须进行第二次全量复制,致使slave陷入死循环状态。
    相关配置:repl-backlog-size 1mb
  3. master单机内存占用主机内存的比例不应过大,建议使用50%-70%的内存,留下30%-50%的内存用于执行bgsave命令和创建复制缓冲区

数据同步阶段slave说明:

  1. 为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步,建议关闭此期间的对外服务
    相关配置:slave-serve-stale-data yes|no
  2. 数据同步阶段,master发送给slave信息可以理解master是slave的一个客户端,主动向slave发送命令
  3. 多个slave同时对master请求数据同步,master发送的RDB文件增多,会对带宽造成巨大冲击,如果master带宽不足,因此数据同步需要根据业务需求,适量错峰
  4. slave过多时,建议调整拓扑结构,由一主多从结构变为树状结构,中间的节点既是master,也是slave。注意使用树状结构时,由于层级深度,导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大,数据一致性变差,应谨慎选择

命令传播

  • 当master数据库状态被修改后,导致主从服务器数据库状态不一致,此时需要让主从数据同步到一致的状态,同步的动作称为命令传播
  • master将接收到的数据变更命令发送给slave,slave接收命令后执行命令

命令传播阶段的部分复制:

如果命令传播阶段出现了断网现象:
+ 网络闪断闪连 ——忽略
+ 短时间网络中断 ——部分复制
+ 长时间网络中断 ——全量复制

部分复制的三个核心要素:

  1. 服务器的运行ID

服务器运行ID是每一台服务器每次运行的身份识别码,一台服务器多次运行可以生成多个运行id。

组成:运行id由40位字符组成,是一个随机的十六进制字符
例如:fdc9ff13b9bbaab28db42b3d50f852bb5e3fcdce。

作用:运行id被用于在服务器间进行传输,识别身份。
如果想两次操作均对同一台服务器进行,必须每次操作携带对应的运行id,用于对方识别。

实现方式:运行id在每台服务器启动时自动生成的,master在首次连接slave时,会将自己的运行ID发送给slave,slave保存此ID,通过info Server命令,可以查看节点的runid。

  1. 主服务器的复制积压缓冲区

复制缓冲区,又名复制积压缓冲区,是一个先进先出(FIFO)的队列,用于存储服务器执行过的命令,每次传播命令,master都会将传播的命令记录下来,并存储在复制缓冲区

内容就是AOF文件的格式,每个字节值还有一个偏移量。

  1. 主从服务器的复制偏移量

一个数字,描述复制缓冲区中的指令字节位置

分类:
+ master复制偏移量:记录发送给所有slave的指令字节对应的位置(多个)
+ slave复制偏移量:记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置(一个)

作用:同步信息,比对master与slave的差异,当slave断线后,恢复数据使用

工作流程总结

Redis主从复制、哨兵、集群详解

心跳机制

进入命令传播阶段候,master与slave间需要进行信息交换,使用心跳机制进行维护,实现双方连接保持在线。

master心跳:
+ 指令:PING
+ 周期:由repl-ping-slave-period决定,默认10秒
+ 作用:判断slave是否在线
+ 查询:INFO replication 获取slave最后一次连接时间间隔,lag项维持在0或1视为正常

slave心跳任务
+ 指令:REPLCONF ACK {offset}
+ 周期:1秒
+ 作用1:汇报slave自己的复制偏移量,获取最新的数据变更指令
+ 作用2:判断master是否在线

注意:

  • 当slave多数掉线,或延迟过高时,master为保障数据稳定性,将拒绝所有信息同步操作

相关配置:

min-slaves-to-write 2
min-slaves-max-lag 8

slave数量少于2个,或者所有slave的延迟都大于等于10秒时,强制关闭master写功能,停止数据同步

  • slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
  • slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

主从复制常见问题

频繁的全量复制(1)

伴随着系统的运行,master的数据量会越来越大,一旦master重启,runid将发生变化,会导致全部slave的全量复制操作

内部优化调整方案:
1. master内部创建master_replid变量,使用runid相同的策略生成,长度41位,并发送给所有slave
2. 在master关闭时执行命令shutdown save,进行RDB持久化,将runid与offset保存到RDB文件中
+ repl-id repl-offset
+ 通过redis-check-rdb命令可以查看该信息
3. master重启后加载RDB文件,恢复数据重启后,将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中
+ master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
+ 通过info命令可以查看该信息

作用:
本机保存上次runid,重启后恢复该值,使所有slave认为还是之前的master

频繁的全量复制(2)

问题现象:

网络环境不佳,出现网络中断,slave不提供服务

问题原因:

复制缓冲区过小,断网后slave的offset越界,触发全量复制

最终结果:

slave反复进行全量复制

解决方案:
+ 修改复制缓冲区大小
+ 建议设置如下:
1. 测算从master到slave的重连平均时长second
2. 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
3. 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断(1)

问题现象:

master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接

问题原因:

  • slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
  • 当slave接到了慢查询时(keys * ,hgetall等),会大量占用CPU性能
  • master每1秒调用复制定时函数replicationCron(),比对slave发现长时间没有进行响应

最终结果:

master各种资源(输出缓冲区、带宽、连接等)被严重占用

解决方案:

通过设置合理的超时时间repl-timeout,确认是否释放slave。该参数定义了超时时间的阈值(默认60秒),超过该值,释放slave

频繁的网络中断(2)

问题现象:

slave与master连接断开

问题原因:
+ master发送ping指令频度较低
+ master设定超时时间较短
+ ping指令在网络中存在丢包

解决方案:

提高ping指令发送的频度

repl-ping-slave-period

超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍,否则slave很容易判定超时

数据不一致

问题现象:

多个slave获取相同数据不同步

问题原因:

网络信息不同步,数据发送有延迟

解决方案:
+ 优化主从间的网络环境,通常放置在同一个机房部署,如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
+ 监控主从节点延迟(通过offset)判断,如果slave延迟过大,暂时屏蔽程序对该slave的数据访问

slave-serve-stale-data yes|no

开启后仅响应info、slaveof等少数命令(慎用,除非对数据一致性要求很高)

哨兵模式

上面提到如果主机宕机,需要临时推选出一个从机代替主机工作。

作用

哨兵(sentinel) 是一个分布式系统,用于对主从结构中的每台服务器进行监控,当出现故障时通过投票机制选择新的master并将所有slave连接到新的master。

监控:

不断的检查master和slave是否正常运行。

master存活检测、master与slave运行情况检测

通知(提醒):

当被监控的服务器出现问题时,向其他(哨兵间,客户端)发送通知。

自动故障转移:

断开master与slave连接,选取一个slave作为master,将其他slave连接到新的master,并告知客户端新的服务器地址

注意:
+ 哨兵也是一台redis服务器,只是不提供数据服务
+ 通常哨兵配置数量为单数

启用哨兵

启用哨兵命令:

redis-sentinel sentinel-配置.conf

配置文件:

sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2  
# 配置监控的主节点
# 这个配置项格式为sentinel monitor <master-group-name> <ip> <port> <quorum>
# 意义为监视一个名为mymaster的主节点(这里的mymaster可以自定义,主要是为了标识这个集群)
# 主节点ip地址是127.0.0.1,端口为6379
# 法定票数为2票。表示至少需要2个哨兵认为节点down了,才算down了。

sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000
# 监控到指定的集群的主节点异常状态持续多久方才将标记为“故障”;

sentinel parallel-syncs mymaster 1
# 指在failover过程中,能够被sentinel并行配置的从节点的数量;数值越大,要求网络资源越高,要求越小,同步时间约长

sentinel failover-timeout 180000
# sentinel必须在此指定的时长内完成故障转移操作,否则,将视为故障转移操作失败

哨兵工作原理

哨兵在进行主从切换过程中经历三个阶段
+ 监控
+ 通知
+ 故障转移

监控阶段

用于同步各个节点的状态信息

  • 获取各个sentinel的状态(是否在线)
  • 获取master的状态
    • master属性
      • runid
      • role:master
    • 各个slave的详细信息
  • 获取所有slave的状态(根据master中的slave信息)
    • slave属性
      • runid
      • role:slave
      • master_host、master_port
      • offset
      • ……

通知阶段

sentinel之间也会组建连接网共享master和slave的状态。

每个sentinel收集到了信息都会共享给其他的sentinel。

故障转移阶段

如果某一sentinel某时刻联系不上主机并且超过failover-timeout时间,就对其他sentinel发起通知SENTINEL is-master-down-by-addr ……,此时该sentinel对主机的判定为SRI_S_DOWN,即主观下线。

其他sentinel收到通知后也对主机做出评判,如果有超半数(法定票数)的sentinel认为主机宕机了,就判定该主机为SRI_O_DOWN,即客观下线。

然后sentinel内部开始发送竞选指令争选作为处理该故障的哨兵。所有哨兵根据收到竞选指令的先后和一些评判标准投票,获得投票数最多的哨兵处理该故障。

哨兵的任务:

在服务器列表中挑选备选master:
+ 筛选在线的
+ 剔除响应慢的
+ 剔除与原master断开时间久的
+ 按照优先原则
- 优先级
- offset
- runid

根据以上方法挑选出一个备选master后,开始替换master:
- 发送指令(sentinel)
- 向新的master发送slaveof no one
- 向其他slave发送slaveof 新masterIP端口

集群

集群就是使用网络将若干台计算机联通起来,并提供统一的管理方式,使其对外呈现单机的服务效果

集群的作用

  • 分散单台服务器的访问压力,实现负载均衡
  • 分散单台服务器的存储压力,实现可扩展性
  • 降低单台服务器宕机带来的业务灾难

设计

  • 通过算法设计,计算出key应该保存的位置
  • 将所有的存储空间计划切割成16384份槽,每台主机保存一部分
    每份代表的是一个存储空间,不是一个key的保存空间
  • 将key按照计算出的结果放到对应的存储空间

集群内部也有通信,每台机器都知道一个指定的槽放在哪个机器上,如果槽未命中,则会通知用户正确位置。

cluster集群搭建

参考详解Redis Cluster集群 - 请叫我头头哥 - 博客园

原创文章,作者:彭晨涛,如若转载,请注明出处:https://www.codetool.top/article/redis%e4%b8%bb%e4%bb%8e%e5%a4%8d%e5%88%b6%e3%80%81%e5%93%a8%e5%85%b5%e3%80%81%e9%9b%86%e7%be%a4%e8%af%a6%e8%a7%a3/

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