Redis——Redis主从复制(工作流程详解)

Redis主从复制

  • 主从复制简介
    • 主从复制的概念
  • 主从复制的作用
  • 主从复制工作流程
    • 阶段一:建立连接阶段
    • 主从连接(slave连接master)
      • 第一种方式
      • 第二种方式
      • 第三种方式
        • 授权访问
    • 阶段二:数据同步阶段工作流程
      • 数据同步阶段master说明
      • 数据同步阶段slave说明
    • 阶段三:命令传播阶段
      • 命令传播阶段的部分复制
        • 服务器的运行 id
        • 复制缓冲区
        • 复制缓冲区内部工作原理
        • 复制缓冲区
        • 主从服务器复制偏移量(offset)
    • 数据同步+命令传播阶段工作流程
    • 心跳机制
      • 心跳阶段注意事项
  • 主从复制常见问题
    • 引发频繁的全量复制1
    • 引发频繁的全量复制2
    • 频繁的网络中断1
    • 频繁的网络中断2
    • 数据不一致

主从复制简介

主从复制是为了达成高可用

  • 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。

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第1张图片

  • 提供数据方:master

    • 主服务器,主节点,主库
      主客户端
  • 接收数据方:slave

    • 从服务器,从节点,从库
      从客户端
  • 需要解决的问题

    • 数据同步
  • 核心工作

    • master的数据复制到slave中

主从复制

  • 主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中

  • 一个master可以拥有多个slave,一个slave只对应一个master

  • 职责

    • master:

      • 写数据
      • 执行写操作时,将出现变化的数据自动同步到slave
      • 读数据(可忽略)
    • slave:

      • 读数据
      • 写数据(禁止)

主从复制的概念

主从复制,是指将一台Redis服务器的数据,复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点(master/leader),后者称为从节点(slave/follower) ; 数据的复制是单向的,只能由主节点到从节点。Master以写为主,Slave以读为主。

默认情况下,每台Redis服务器都是主节点 ;

且一个主节点可以有多个从节点(或没有从节点),但一个从节点只能有一个主节点。

主从复制的作用

  1. 读写分离:主节点写,从节点读,提高服务器的读写负载能力

  2. 数据冗余︰主从复制实现了数据的热备份,是持久化之外的一种数据冗余方式。

  3. 故障恢复︰当主节点出现问题时,可以由从节点提供服务,实现快速的故障恢复 ; 实际上是一种服务的冗余。

  4. 负载均衡︰在主从复制的基础上,配合读写分离,可以由主节点提供写服务,由从节点提供读服务(即写Redis数据时应用连接主节点,读Redis数据时应用连接从节点),分担服务器负载 ; 尤其是在写少读多的场景下,通过多个从节点分担读负载,可以大大提高Redis服务器的并发量。

  5. 高可用(集群)基石︰除了上述作用以外,主从复制还是哨兵和集群能够实施的基础,因此说主从复制是Redis高可用的基础。

主从复制工作流程

总述

  • 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

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第2张图片
Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第3张图片

阶段一:建立连接阶段

  • 建立slave到master的连接,使master能够识别slave,并保存slave端口号
  1. 设置master的地址和端口,保存master信息
  2. 建立socket连接
  3. 发送ping命令(定时器任务)
  4. 身份验证
  5. 发送slave端口信息

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第4张图片
slave:保存master的地址和端口
master:保存slave的端口
总体:之间创建了socket连接

主从连接(slave连接master)

  • 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

    vim redis.conf
    slaveof <masterip> <masterport>
    

第一种方式

打开redis服务端
redis-server redis_config/redis-6379.conf	# 主机
redis-server redis_config/redis-6380.conf	# 从机

进入从机
[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> slaveof 127.0.0.1 6379

查看主机日志信息
Synchronization with replica 127.0.0.1:6380 succeeded	

查看从机日志信息
MASTER <-> REPLICA sync: receiving 361 bytes from master to disk
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Flushing old data
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Loading DB in memory

说明主从已经配置完毕
测试
在主节点创建一个key
127.0.0.1:6379> set master maomao
OK

在从节点查看
127.0.0.1:6380> get master
"maomao"

还可以通过 info replication 命令查看
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第二种方式

在命令行直接连接
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf --slaveof 127.0.0.1 6379

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第三种方式

[root@maomao redis_config]# vim redis-6380.conf 
添加
slaveof 127.0.0.1 6379

启动redis
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf

[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379
master_link_status:up
  • 主从断开连接

    客户端发送命令
    slaveof no one

  • slave断开连接后,不会删除已有数据,只是不再接受master发送的数据

在从机上
127.0.0.1:6380> slaveof no one
OK

127.0.0.1:6379> set slave maomao
OK

127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

授权访问

  • master客户端发送命令设置密码

    requirepass <password>
    
  • master配置文件设置密码

    config set requirepass <password>
    config get requirepass
    
  • slave客户端发送命令设置密码

    auth <password>
    
  • slave配置文件设置密码

    masterauth <password>
    
  • slave启动服务器设置密码

    redis-server –a <password>
    

阶段二:数据同步阶段工作流程

  • 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

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第5张图片
部分复制就是增量复制
增量复制需要在全量复制成功之后才能执行

  1. 请求同步数据
  2. 创建RDB同步数据
  3. 恢复RDB同步数据
  4. 请求部分同步数据
  5. 恢复部分同步数据
    至此,数据同步工作完成!

状态:

  • slave:
    具有master端全部数据,包含RDB过程接收的数据
  • master:
    保存slave当前数据同步的位置
  • 总体:
    之间完成了数据克隆

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。
修改复制缓冲区大小
repl-backlog-size 1mb		# 默认1mb
  1. 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

    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

阶段三:命令传播阶段

  • 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

  • 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

命令传播阶段的部分复制

  • 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
    • 服务器的运行 id(run id)
    • 主服务器的复制积压缓冲区
    • 主从服务器的复制偏移量

服务器的运行 id

  • 概念: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:0eab876073ab904a4b357000dc8f231f553c20a7
  • 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

复制缓冲区

  • 概念: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

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第6张图片

复制缓冲区内部工作原理

  • 组成

    • 偏移量
    • 字节值
  • 工作原理

    • 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
    • master记录已发送的信息对应的offset
    • slave记录已接收的信息对应的offset
set name maomao
以这种格式
$3 \r\n
set \r\n
$4 \r\n
name \r\n
$6 \r\n
maomao \r\n

到复制缓冲区

Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第7张图片

复制缓冲区

  • 概念: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
    • 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M,由于存储空间大小是固定的,当入队元素的数量大于队列长度时,最先入队的元素会被弹出,而新元素会被放入队列
  • 由来:每台服务器启动时,如果开启有AOF或被连接成为master节点,即创建复制缓冲区
  • 作用:用于保存master收到的所有指令(仅影响数据变更的指令,例如set,select)
  • 数据来源:当master接收到主客户端的指令时,除了将指令执行,会将该指令存储到缓冲区中

主从服务器复制偏移量(offset)

  • 概念: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)
  • 数据来源:
    • master端:发送一次记录一次
      slave端:接收一次记录一次
  • 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

数据同步+命令传播阶段工作流程

主从连接之后

  1. master生成复制缓冲区
  2. slave发送指令:psync2 ? -1 (意思需要全部信息)
  3. master接收到指令,执行bgsave生成RDB文件,记录当前的复制偏移量offset 但是因为第一次slave发送的是空白。
  4. 于是master将runid 和offset发给slave。发送 +FULLRESYNC runid offset,(全量复制),通过socket发送RDB文件给slave
  5. slave收到 +FULLRESYNC(全量复制),保存master的runidoffset,清空当前全部数据,通过socket接收RDB文件,恢复RDB数据
  6. 在整个过程中有一些指令要进入复制缓冲区,master接收这些客户端指令,offset发生了变化
  7. slave 发送命令:psync2 runid offset
  8. master 接收命令,判断runid是否匹配,判定offset是否在复制缓冲区中
  9. 如果runidoffset有一个不满足,执行全量复制(循环之前的全量复制)
  10. 如果runidoffset校验通过,offsetoffset相同,则忽略
  11. 如果如果runidoffset校验通过,offsetoffset不相同。
    就发送 +CONTINUE offset
    通过socket发送复制缓冲区中offsetoffset的数据
  12. slave 收到 +CONTINE
    保存master的offset
    接收到信息后,执行bgrewriteaof,恢复数据
    Redis——Redis主从复制(工作流程详解)_第8张图片

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
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=927,lag=1

心跳阶段注意事项

  • 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

    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

引发频繁的全量复制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
[root@maomao redis_config]# cd /usr/local/redis/data/
[root@maomao data]# ls
6379.log  6380.log  appendonly-6379.aof  dump-6379.rdb  dump.rdb
[root@maomao data]# redis-check-rdb dump-6379.rdb 
[offset 0] Checking RDB file dump-6379.rdb
[offset 26] AUX FIELD redis-ver = '6.2.1'
[offset 40] AUX FIELD redis-bits = '64'
[offset 52] AUX FIELD ctime = '1618763025'
[offset 67] AUX FIELD used-mem = '1942304'
[offset 85] AUX FIELD repl-stream-db = '0'
[offset 135] AUX FIELD repl-id = '2d82ff022e405afb883753f4d0c52f8ceb36d740'		# runid
[offset 151] AUX FIELD repl-offset = '885'	#offset
[offset 167] AUX FIELD aof-preamble = '0'
[offset 169] Selecting DB ID 0
[offset 391] Checksum OK
[offset 391] \o/ RDB looks OK! \o/
[info] 5 keys read
[info] 0 expires
[info] 0 already expired

引发频繁的全量复制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

      repl-backlog-size

  • 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,确认是否释放slave

      repl-timeout
      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)

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