Redis主从复制&哨兵&集群

前言：

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

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；哨兵无法对从节点进行自动故障转移，在读写分离场景下，从节点故障会导致读服务不可用，需要对从节点做额外的监控、切换操作

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

一、Redis主从复制

1. 主从复制的概述

主从复制，是指将一台服务器的数据，复制到其他的Redis服务器。前者称为主节点（Master），后者称为从节点（Slave）；数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。
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，但一个从节点只能有一个主节点。

2. 主从复制的作用

● 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。
● 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。
● 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；有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。
● 高可用基石：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。

3. 主从复制的流程

（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端机器，如果Master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。

4、部署Redis 主从复制

服务器IP配置:

Master节点 master 192.168.100.6
Slave1节点 slave1 192.168.100.7
Slave2节点 slave2 192.168.100.8

4.1关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

4.2搭建redis

各服务器搭建Redis:
搭建Redis

传入安装包到/opt目录
yum install -y gcc gcc-c++ make
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
make
make PREFIX=/usr/local/redis install
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
......
Please select the redis executable path []
#输入/uar/local/redis/bin/redis-server

//创建软连接
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/

4.3 修改Redis配置文件（Master节点192.168.122.10）

[root@master ~]# vim /etc/redis/6379.conf

##70行，修改监听地址为0.0.0.0，表示监听任何地址
bind 0.0.0.0
##137行，开启守护进程
daemonize yes
##172行，指定日志文件目录
logfile /var/log/redis_6379.log
##264行，指定工作日志
dir /var/lib/redis/6379
##700行，开启AOF持久化功能
appendonly yes

4.4 修改Redis配置文件（Slave节点）

两节点操作相同

[root@slave1 utils]# vim /etc/redis/6379.conf 

##70行，修改监听地址为0.0.0.0，表示监听任何地址
bind 0.0.0.0
##137行，开启守护进程
daemonize yes
##172行，指定日志文件目录
logfile /var/log/redis_6379.log
##264行，指定工作日志
dir /var/lib/redis/6379
##288行，添加要同步的Master节点IP和端口
replicaof 192.168.100.6 6379
##700行，开启AOF持久化功能
appendonly yes


/etc/init.d/redis_6379 restart		#重启服务

5、验证主从效果

在Master节点上看日志:

[root@master ~]# tail -f /var/log/redis_6379.log 
...
1002:M 27 Sep 2021 17:22:43.760 * Synchronization with replica 192.168.100.7:6379 succeeded
1002:M 27 Sep 2021 17:22:43.760 * Synchronization with replica 192.168.100.8:6379 succeeded
...

在Master节点验证从节点:

[root@master ~]# redis-cli info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.100.7,port=6379,state=online,offset=910,lag=0
slave1:ip=192.168.100.8,port=6379,state=online,offset=910,lag=0
master_replid:874ac71585f43f4999a0e4cfa89b199789070def
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:910
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:910

二、哨兵模式

哨兵的核心功能：在主从复制的基础上，哨兵引入了主节点的自动故障转移

1、哨兵模式的原理

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，所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点

2、哨兵模式的作用

• 监控：哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常
• 自动故障转移：当主节点不能正常工作时，哨兵会开始自动故障转移操作，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其他从节点改为复制新的主节点
• 通知(提醒)：哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端

3、哨兵结构由两部分组成，哨兵节点和数据节点

• 哨兵节点：哨兵系统由一个或多个哨兵节点组成，哨兵节点是特殊的 redis 节点，不存储数据
• 数据节点：主节点和从节点都是数据节点
哨兵的启动依赖于主从模式，所以须把主从模式安装好的情况下再去做哨兵模式，所有节点上都需要部署哨兵模式，哨兵模式会监控所有的Redis 工作节点是否正常，当Master 出现问题的时候，因为其他节点与主节点失去联系，因此会投票，投票过半就认为这个 Master 的确出现问题，然后会通知哨兵间，然后从Slaves中选取一个作为新的 Master

4、故障转移机制

1. 由哨兵节点定期监控发现主节点是否出现了故障。每个哨兵节点每个1秒会向主节点每隔1秒会向主节点、从节点及其他哨兵节点发送一次ping命令做一次心跳检测。如果主节点在一定时间范围内不回复或者是回复一个错误消息，那么这个哨兵就会认为这个主节点主观下线了（单方面的）。当超过半数哨兵节点认为该主节点主观下线了，这样就客观下线了。
2. 当主节点出现故障，此时哨兵节点会通过Raft算法（选举算法）实现选举机制共同选举出一个哨兵节点为leader，来负责处理主节点的故障转移和通知。所以整个裕兴哨兵的集群的数量不得少于三个节点。
3. 由leader哨兵节点执行故障转移，过程如下：
   ● 将某一个从节点升级为新的主节点，让其他从节点指向新的主节点；
   ● 若原主节点恢复也变成从节点，并指向新的主节点；
   ● 通知客户端主节点已经更换。
   需要特别注意的是，客观下线是主节点才有的概念；如果从节点和哨兵节点发生故障，被哨兵主观下线后，不会再有后续的客观下线和故障转移操作。

5. 主节点的选举

过滤掉不健康的（已下线的），没有回复小兵ping响应的从节点。
选择配置文件中从节点优先级配置最高的（replica-priority，默认值为100）。
选择复制偏移量最大，也就是复制最完整的从节点。

6.搭建Redis哨兵模式

Master节点 master 192.168.100.6
Slave1节点 slave1 192.168.100.7
Slave2节点 slave2 192.168.100.8

6.1 关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

6.2 修改Redis哨兵模式的配置文件(所有节点操作)

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
protected-mode no                                              #17行，关闭保护模式
port 26379                                                     #21行，Redis哨兵默认的监听端口
daemonize yes                                                  #26行，指定sentinel为后台启动
logfile "/var/log/sentinel.log"                                #36行，指定日志存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"                                      #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.229.90 6379 2                #84行， 修改
指定该哨兵节点监控192.168.229.90:6379这个主节点，该主节点的名称是mymaster,最后的2的含义与主节点的故障判定有关:至少需要2个哨兵节点同意，才能判定主节点故障并进行故障转移
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000                #113行,判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒(30秒)
sentinel failover-timeout mymaster 180000                      #146行，故障节点的最大超时时间为180000 (180秒 )

6.3启动哨兵模式

注意：先启master，再启slave
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &		#后台启动

6.4 查看哨兵信息

在master上面查看:

redis-cli -p 26379 info Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.100.6:6379,slaves=2,sentinels=3

6.5 模拟故障

#查看redis-server进程号（在Master 上进行）:
ps -ef | grep redis
5 S root      57521      1  0  80   0 - 39869 ep_pol 15:31 ?        00:00:02 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
5 S root      57951      1  0  80   0 - 38461 ep_pol 16:00 ?        00:00:01 redis-sentinel *:26379 [sentinel]
0 R root      58035  15559  0  80   0 - 28169 -      16:08 pts/2    00:00:00 grep --color=auto redis
 
#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
kill -9 57521      #Master节点上redis-server的进程号
 
#验证结果，查看master是转换至从服务器
tail -f /var/log/sentinel.log
 
#在Slave1上查看是否转换成功
redis-cli -p 26379 INFO Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.100.6:6379,slaves=2,sentinels=3

三、集群模式

• 集群，即 Redis Cluster， 是Redis 3. 0开始引入的分布式存储方案
• 集群由多个节点(Node) 组成，Redis 的数据分布在这些节点中。集群中的节点分为主节点和从节点；只有主节点负责读写请求和集群信息的维护；从节点只进行主节点数据和状态信息的复制

• 集群中的节点分为主节点和从节点
主节点负责读写请求和集群信息的维护；
从节点只进行主节点数据和状态信息的复制

1. Redis集群的概述

集群，即Redis Cluster，是Redis 3.0开始引入的分布式存储方案。

2. Redis集群

集群由多个节点（Node）组成，Redis的数据分布在这些节点中。集群中的节点分为主节点和从节点；只有主节点负责读写请求和集群信息的维护；从节点只进行主节点数据和状态信息的复制。

3. Redis集群的作用

可以归纳为两点

1.数据分区：

数据分区（或称数据分片）是集群最核心的功能。
集群将数据分散到多个节点，一方面突破了Redis单机内存大小的限制，存储容量大大增加；另一方面每个主节点度可以对外提供读服务和写服务，大大提高了集群的响应能力。
Redis单机内存大小受限问题，在介绍持久化和主从复制时都有体积；例如，如果单机内存太大，bgsave和bgrewriteaof的fork操作可能导致主进程阻塞，主从环境下主机切换时可能导致从节点长时间无法提供服务，全量复制阶段主节点的复制缓冲区可能溢出。

2.高可用:

集群支持主从复制和主节点的自动故障转换（与哨兵类似）；当任一节点发生故障时，集群仍然可以对外提供服务。

4.Redis集群的数据分片

Redis集群引入了哈希槽的概念

• Redis集群有 16384 个哈希槽( 编号0-16383)
• 集群的每个节点负责一部分哈希槽
• 每个Key 通过 CRC16 校验后对16384取余来决定放置哪个哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作

5.哈希槽

1.哈希槽可按照集群主机数平均分配（默认分配）

节点A 包含0到5460号哈希槽
节点B 包含5461到10922号哈希槽
节点C 包含10923到16383号哈希槽

2.也可以根据主机的性能以及功能自定义分配

以3个节点组成的集群为例：
节点A性能最差，包含0-2000号哈希值
节点B性能中等，包含2001-7000号哈希值
节点C性能最强，包含7001-16383号哈希值

3.Redis集群的主从复制模型

集群中具有A、B、C三个节点，如果节点B失败了，整个集群就会因缺少5461-10922这个范围的槽而不可以用。
为每个节点添加一个从节点A1、B1、C1整个集群便有三个Master节点和三个slave节点组成，在节点B失败后，集群选举B1位为主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用

6.Redis 集群部署

redis的集群一般需要6个节点， 3主3从。

方便起见，这里所有节点在同一台服务器上模拟: 以端口号进行区分: 3个主节点端口号: 6001/6002/6003， 对应的从节点端口号: 6004/6005/6006

6.1关闭防火墙

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0

6.2创建目录复制配置文件

[root@node ~]# cd /etc/redis
[root@node redis]# mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}
[root@node redis]# for i in {1..6}
> do
> cp /opt/redis-5.0.7/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
> cp /opt/redis-5.0.7/src/redis-cli /opt/redis-5.0.7/src/redis-server /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
> done
[root@node redis]# ls -R redis-cluster/
redis-cluster/:
redis6001  redis6002  redis6003  redis6004  redis6005  redis6006

redis-cluster/redis6001:
redis-cli  redis.conf  redis-server

redis-cluster/redis6002:
redis-cli  redis.conf  redis-server

redis-cluster/redis6003:
redis-cli  redis.conf  redis-server

redis-cluster/redis6004:
redis-cli  redis.conf  redis-server

redis-cluster/redis6005:
redis-cli  redis.conf  redis-server

redis-cluster/redis6006:
redis-cli  redis.conf  redis-server

6.3修改配置文件，开启群集功能

cd /etc/redis/redis-cluster/redis6001
vim redis.conf
#bind 127.0.0.1         #69行，注释掉bind项，默认监听所有网卡
protected-mode no       #88行，修改，关闭保护模式
port 6001               #92行，修改，redis监听端口
daemonize yes           #136行，开启守护进程，以独立进程启动
appendonly yes          #699行，修改，开启AOF持久化
cluster-enabled yes     #832行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6001.conf    #840行，取消注释，群集名称文件设置
cluster-node-timeout 15000             #846行，取消注释群集超时时间设置
 
//写一个for循环将6001的文件复制给6002~6006，
for i in {2..6}
do
/usr/bin/cp -f /etc/redis/redis-cluster/redis6001/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i/redis.conf
done
//然后逐个修改一下监听端口与群集文件名称

6.4启动redis节点

使用for循环快速开启6个节点

[root@node redis6001]# for d in {1..6}
> do
> cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$d
> redis-server redis.conf
> done
[root@node1 redis6006]# ps -ef | grep redis	//查看是否开启
root        992      1  0 13:45 ?        00:00:07 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root       2289      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6001 [cluster]
root       2294      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6002 [cluster]
root       2299      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6003 [cluster]
root       2304      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6004 [cluster]
root       2309      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6005 [cluster]
root       2314      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6006 [cluster]
root       2450   2337  0 14:50 pts/0    00:00:00 grep --color=auto redis

6.5 启动集群

输入下面命令

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6001 127.0.0.1:6002 127.0.0.1:6003 127.0.0.1:6004 127.0.0.1:6005 127.0.0.1:6006 --cluster-replicas 1

六个实例分为三组，每组一主一从，前面的做主节点，后面的做从节点。下面交互的时候需要输入yes 才可以创建。
-replicas 1 #表示每个主节点有1个从节点。

6.6 测试集群

查看哈希槽情况：

[root@localhost redis6006]# redis-cli -p 6001 -c		 //加-c参数，节点之间就可以互相跳转
127.0.0.1:6001> cluster slots		//查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 10923		//哈希槽起始编号
   2) (integer) 16383		//哈希槽终止编号
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6003		//node主节点
      3) "339c5c32650e4530b8ea0cf6bbf992fb219fb22f"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6004		//node从节点
      3) "54471754e7b4ad2e351a52cad8dd1f3151840ed7"
2) 1) (integer) 0
   2) (integer) 5460
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6001
      3) "ef1b42efa5dbb441378d38a0d1713e13b8630c39"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6005
      3) "22d1fb1f08291333128505c2f9ba67a4e0103f21"
3) 1) (integer) 5461
   2) (integer) 10922
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6002
      3) "d0e00ce8287aa5e26bd27d004100623575e08522"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6006
      3) "d4179334e56a4b8bba96152776726576fe67e403"

测试存储：

[root@localhost redis6006]# redis-cli -p 6001 -c		//进入到6001节点
127.0.0.1:6001> set y1 1		
OK
127.0.0.1:6001> get y1
"1"
127.0.0.1:6001> KEYS *	//现在只有刚刚创建的'y1'键
1) "y1"
127.0.0.1:6001> quit
[root@localhost redis6006]# redis-cli -p 6002 -c	//切换到6002节点
127.0.0.1:6002> KEYS *	//6002节点没有'y1'键
1) "v"					//v 键是我之前创建的
127.0.0.1:6002> quit
[root@localhost redis6006]# redis-cli -p 6005 -c		//切换到6001的从节点 6005节点
127.0.0.1:6005> KEYS *
1) "y1"
127.0.0.1:6005> get y1
-> Redirected to slot [5299] located at 127.0.0.1:6001
"1"		//可以看到是有'y1'键的，且值相同
127.0.0.1:6001>