Redis高可用群集---三种模式详解（主从、哨兵、Cluster）

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一、redis群集介绍

• redis是一个开源的kevvalue存储系统，受到了广大互联网公司的青睐。redis3.0版本之前只支持单例模式，在3.0版本及以后才支持集群 redis集群采用P2P模式，是完全去中心化的，不存在中心节点或者代理节点;

• 为了实现集群的高可用，即判新节点是否健康(能否正常使用)， redis-cluster有一个投票容错机制:
  如果集群中超过半数的节点投票认为某个节点挂了，那么这个节点就挂了(fail)。如果集群中任意一个节点挂了，而且该节点没有从节点(备份节点)，那么这个集群就挂了

• 为什么没有备份节点，集群会挂掉

因为集群内置了16384个slot(哈希槽)，并且把所有的物理节点映射到了这16384[0-16383]个slot上，或者说把这些slot均等的分配给了各个节点。
当需要在Redis集群存放一个数据(key-value)时，redis会先对这个key进行crc16算法，然后得到一个结果再把这个结果对16384进行求余，这个余数会对应[0-16383]其中一个槽，进而决定key-value存储到哪个节点中。所以一旦某个节点挂了，该节点对应的slot就无法使用，那么就会导致集群无法正常工作。
示例(三个节点) ： 节点A覆盖0-5460; 节点B覆盖5461-10922; 节点C覆盖10923-16383
即:每个节点有5460个哈希槽 新增一个节点: 节占A覆盖1365-5460 节占B覆盖6827-10922
节点C覆盖12288-16383 节点D覆盖0-1364.5461-6826.10923-12287
即:每个节点有4095个哈希槽 综上所述，每个Redis集群理论上最多可以有16384个节点。

二、Redis三种模式介绍

• 在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和集群，下而分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题

1.主从模式

• 通过持久化功能，redis保证了即使在服务器重启的情况下也不会丢失(或少量丢失)数据，因为持久化会把内存中的数据保存到硬盘上，重启会从硬盘上加载数据，但是由于数据是存储在一台服务器上的，如果这台服务器出现硬盘故障等问题，也会导致数据丢失。
• 为了避免单点故障，通常的做法是将数据库复制多个副本以部署在不同的服务器上，这样即使有一台服务器出现故障，其他服务器依然可以继续提供服务，为此，redis提供了复制(replication)功能，可以实现当一台数据库中的数据更新后，自动将更新的数据同步到其他数据库上。
• 在复制的概念中，数据库分为两类，一类是主数据库(master)，另一类是从数据(slave)。主数据可以进行读写操作，当写操做导致数据变化时自动将数据同步给数据库，而从数据库一般是只读的，并接收主数据同步过来的数据。一个主数据库可以拥有多个从数据库，而一个从数据库只能拥有一个主数据库

1.1 流程图

• ① 若启动一个Slave机器进程，则它会向Master机器发送一个"sync_command"命令，请求同步连接

• ② 无论是第一次连接还是重新连接，Master机器都会启动一个后台进程，将数据快照(RDB)保存到
  数据文件中(执行rdb操作)，同时Master还会记录修改数据的所有命令并缓存在数据文件中。

• ③ 后台进程完成缓存操作之后，Master机器就会向Slave机器发送数据文件，Slave端机器将数据
  文件保存到硬盘上，然后将其加载到内存中，接着Master机器就会将修改数据的所有操作一并发送给Slave端机器。若Slave出现故障导致宕机，则恢复正常后会自动重新连接。

• ④ Master机器收到slave端机器的连接后，将其完整的数据文件发送给Slave端机几器，如果Mater同时收到多个slave发来的
  同步请求则Master会在后台启动一个进程以保存数据文件，然后将其发送给所有的Slave端机器，确保所有的Slave端机器都正常。

2.哨兵模式(Sentinel)

2.1 哨兵模式集群架构

• 哨兵是Redis集群架构中非常重要的一个组件，哨兵的出现主要是解决了主从复制出现故障时需要人为干预的问题

2.2 哨兵模式主要功能

• ① 集群监控：负责监控Redismaster和slave进程是否正常工作
• ② 消息通知：如果某个Redis实例有故障，那么哨兵负责发送消息作为报敬通知给管理员
• ③ 故障转移：如果masternode挂掉了，会自动转移到slave node上
• ④ 配置中心：如果故障转移发生了，通知client客户端新的master地址

使用一个或者多个哨兵(Sentinel)实例组成的系统，对redis节点进行监控 在主节点出现故障的情况下， 能将从节点中的一个升级为主节点，进行故障转义，保证系统的可用性。

2.3 哨兵们监控整个系统节点的过程(图2)

• ① 首先主节点的信息是配置在哨兵(Sentinel)的配置文件中

• ② 哨兵节点会和配置的主节点建立起两条连接命令连接和订阅连接
  PS：Redis发布订阅(pub/sub)是一种消息通信模式:发送者(pub)发送消 息，订阅者 (sub) 接收消息。

• ③ 哨兵会通过命令连接每10s发送一次INFO命令，通过INFO命令，主节点会返回自己的run_id和自己的从节点信息

• ④ 哨兵会对这些从节点也建立两条连接命令连接和订阅连接

• ⑤ 哨兵通过命令连接向从节点发送INFO命令，获取到他的一些信息:
  run id(redis服务器id)
  role(职能)
  从服务器的复制偏移量offset
  其他

• ⑥ 通过命令连接向服务器的sentinel:hello频道发送一条消息，内容包括自己的ip端口、run id、配置(后续投票的时候会用到)等

• ⑦ 通过订阅连接对服务器的sentinel:hello频道做了监听，所以所有的向该频道发送的哨兵的消息都能被接受到

• ⑧ 解析监听到的消息，进行分析提取，就可以知道还有那些别的哨兵服务节点也在监听这些主从节点了，更新结构体将这些
  哨兵节点记录下来

• ⑨ 向观察到的其他的哨兵节点建立命令连接----没有订阅连接

2.4 哨兵模式下的故障迁移

• ① 主观下线
  哨兵(Sentinel)节点会每秒一次的频率向建立了命令连接的实例发送PING命令，如果在down-after-milliseconds毫秒内没有做出有效响应包括(PONG/LOADING/MASTERDOWN)以外的响应，哨兵就会将该实例在本结构体中的状态标记为SRI_S_DOWN主观下线

• ② 客观下线
  当一个哨兵节点发现主节点处于主观下线状态是，会向其他的哨兵节点发出询问，该节点是不是已经主观下线了。如果超过配置参数quorum个节点认为是主观下线时，该哨兵节点就会将自己维护的结构体中该主节点标记为SRIO DOWN客观下线询问命令SENTINEL is-master-down-by-addr

• ③ master选举
  在认为主节点客观下线的情况下，哨兵节点节点间会发起一次选举，命令为:SENTINEL is-master-down-by-addr
  只是runid这次会将自己的runid带进去，希望接受者将自己设置为主节点。如果超过半数以上的节点返回将该节点标记为leacer的情况下，会有该leader对故障进行迁移

• ④ 故障转移

####在从节点中挑选出新的主节点
		通讯正常
		优先级排序
		优先级相同时选择offset最大的

###将该节点设置成新的主节点SLAVEOF no one,并确保在后续的INGO命令时 该节点返回状态为master 
###将其他的从节点设置成从新的主节点复制，SLAVEOF命令
###将旧的主节点变成新的主节点的从节点

PS:优缺点
#优点:
		高可用，哨兵模式是基于主从模式的，所有主从模式的优点，哨兵模式都具有有;主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高

#缺点:
		redis比较难支持在线扩容，在群集容量达到上限时在线扩容会变得很复杂

3.Cluster群集

• redis的哨兵模式基本已经可以实现高可用、读写分离，但是在这种模式每台redis服务器都存储相同的数据，很浪费内存资源，所以在redis3.0上加入了Cluster群集模式，实现了redis的分布式存储，也京是说每台redis节点存储着不同的内容根据官方推荐，集群部署至少要3台以上的master节点，最好使用3主3从六个节点的模式。

• Cluster群集由多个redis服务器组成的分布式网络服务群集，群集之中有多个master主节点，每一个主节点都可读可写，节点之间会相互通信，两两相连，redis群集无中心节点

• 在redis-Cluster群集中，可以给每个一个主节点添加从节点，主节点和从节点直接尊循主从模型的特性，当用户需要处理更多读请求的时候，添加从节点可以扩展系统的读性能

• redis-cluster的故障转移:redis群集的主机节点内置了类似redissentinel的节点故障检测和自动故障转移功能，当群集中的某个主节点下线时，群集中的其他在线主节点会注意到这一点，并且对已经下线的主节点进行故障转移

• 集群进行故障转移的方法和redis sentinel进行故障转移的方法基本一样，不同的是，在集群里面，故障转移是由集群中其他在线的主节点负责进行的，所以群集不必另外使用redis sentinel

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总结

1. 主从复制：
   主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。主从复制主要实现了数据的多机备份，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。
   缺陷：
   　　　故障恢复无法自动化；
   　　　写操作无法负载均衡；
   　　　存储能力受到单机的限制。
2. 哨兵：
   　　　 在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。
   缺陷：
   　　　写操作无法负载均衡:存储能力受到单机的限制。
3. 集群：
   通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。