Redis主从复制、主从复制工作流程及主从复制常见的些问题

Redis主从复制

主从复制简介

互联网“三高”架构

• 高并发 ----- 大量的用户同时访问服务器
• 高性能 ----- 性能比较高，速度比较快
• 高可用 ----- 业界可用性目标5个9，即99.999%（即服务器年宕机时常低于315秒，约5.25分钟）

例如：一年中二月份服务器宕机4小时27分15秒，五月份服务器宕机11分36秒，六月份服务器宕机11分36秒

一年服务器总宕机时间是：4小时27分15秒 + 11分36秒 + 2分16秒 = 8,66,467 秒

1年 = 365 * 24 * 60 * 60 =31,536,000秒

可用性 = (31,536,000-8,66,467) / 31,536,000 * 100% = 97.252%

你的“Redis”是否高可用

单机Redis的风险与问题

• 问题1.机器故障
  • 现象：硬盘故障、系统崩溃
  • 本质：数据丢失，很可能对业务造成灾难性打击
  • 结论：基本上会放弃使用Redis.
• 问题2.容量瓶颈
  • 现象：内存不足，从16G升级到64G，从64G升级到128G，无限升级内存
  • 本质：穷，硬件条件跟不上
  • 结论：放弃使用Redis
• 结论：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。

多台服务器连接方案

• 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。

特征：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）

高可用集群

如果其中一台slave从服务器出现问题宕机，可由其他正常工作的salve从服务器对外提供业务数据的请求。

如果master主服务器出现问题宕机，可由从正常工作的salve从服务器中推选出一台salve来充当master角色，由它来负责数据同步的工作。

可以准备多台master。

主从复制的作用

• 读写分离：master写、slave读，提高服务器的读写负载能力
• 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

主从复制工作流程

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

salve主动发送指令给master

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

建立连接阶段工作流程

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）

步骤4：身份验证

步骤5：发送slave端口信息

至此，主从连接成功！

最终达到的效果：

状态：
slave： 保存master的地址与端口
master： 保存slave的端口
总体：slave和master之间创建了连接的socket

流程图如下：

主从建立连接（slave连接master）的方式

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

slaveof <masterip> <masterport>

• slave系统信息，通过info指令可查看
  • master_link_down_since_seconds
  • masterhost
  • masterport
• master系统信息
  • slave_listening_port(多个)

主从断开连接

salve从客户端发送命令

slaveof no one 

说明：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

主从授权访问

master客户端发送命令设置密码

config set requirepass <password>
config get requirepass

master配置文件设置密码

requirepass <password>

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

数据同步阶段工作流程

步骤1：请求同步数据

步骤2：创建RDB同步数据

步骤3：恢复RDB同步数据

步骤4：请求部分同步数据

步骤5：恢复部分同步数据

至此，数据同步工作完成！

最终达到的效果：

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： master和slave之间完成了数据克隆

流程图如下：

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。

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

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

服务器运行ID（runid）

• 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：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

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

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

数据同步+命令传播阶段工作流程

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

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

主从复制工作流程（完整）

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

  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）
    eriod

    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