Redis高可用主从复制、哨兵、集群

一、Redis有哪些高可用技术？

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。

1、主从复制

主从复制时高可用Redis的基础，哨兵和cluster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级备份，以及对与读操作的负载均衡和简单的故障恢复。

缺陷：①故障恢复无法自动化，②写操作无法负载均衡，③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：①写操作无法负载均衡，②存储能力受到单机的限制

3、集群（cluster-推荐6台）

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的方案。

二、Redis的主从复制

1、主从复制流程
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，请求同步链接

②无论时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缓存在数据文件中。

③后台进程完成缓存操作之后，Master及其就会向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机器就会修改数据的所有操作一并发给Slave端机器。若Slave出现故障导致宕机，则恢复正常后自动重新连接。

④Master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。

1、从服务器发送SYNC同步数据请求
2、主Redis会fork一个子进程，然后产生RDB文件（完备），此时客户端还是持续写入新的命令。
3、RDB文件持久化完成后，主Redis会将RDB文件和缓存起来的命令推送给从服务器
4、推送完成后，主Redis会利用AOF（增备）持久化功能，持续的同步操作命令到从服务器。

#后续所有的同步操作，只要没有新的从设备接入，都是会使用AOF的方式进行同步数据

2、Redis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；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。

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、Redis主从复制的实验部署

3.2 三台主机安装Redis服务

一键部署脚本

#!/bin/bash

#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0

#安装环境
yum -y install gcc gcc-c++ make

#解压
cd /opt
tar -zxvf redis-5.0.7.tar.gz

#编译
cd /opt/redis-5.0.7/
make 
make PREFIX=/usr/local/redis install

#安装redis服务
cd /opt/redis-5.0.7/utils

yum -y install expect
/usr/bin/expect <

3.3 修改Master节点

修改配置文件

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0						#70行，修改bind 项，0.0.0.0监听所有网段
daemonize yes						#137行，开启守护进程
logfile /var/log/redis_6379.log		#172行，指定日志文件目录
dir /var/lib/redis/6379				#264行，指定工作目录
appendonly yes						#700行，开启AOF持久化功能
 
/etc/init.d/redis_6379 restart

重启redis服务

如果一直报错等待关闭，可以去pid的文件位置将pid文件删除，然后再使用netstat 过滤出redis的pid号，进行kill掉，后开启redis服务

pid文件位置存在：/var/run/redis_6379.pid

3.4 配置两台slave节点（两台一样）

修改配置文件

vim /etc/redis/6379.conf    #配置文件位置
70 bind 0.0.0.0    #修改监听地址
137 daemonize yes  #开启守护进程
172 logfile /var/log/redis_6379.log  #指定日志文件目录
264 dir /var/lib/redis/6379   #指定工作目录
288 replicaof 20.0.0.55 6379  #添加主服务器（master）地址 及端口
700 appendonly yes   #开启AOF持久化功能
#保存，并启动服务

/etc/init.d/redis_6379 restart
#重启slave1节点和slave2节点redis服务

重启redis服务

3.5 验证主从效果

#在Master节点上看日志:
tail -f /var/log/redis_6379.log
 
#在Master节点上验证从节点:
redis-cli
127.0.0.1:6379> info replication

或
redis-cli info replication
 
#验证数据（在master创建内容，slave查看内容）

三、哨兵模式

1、什么是哨兵？

Redis做好主从复制之后，当master节点遇到故障，并不会自动切换slave节点继续运行，达不到高可用的情况，所以就需要配置哨兵来实现自动切换故障的功能。当master宕机后，哨兵可以根据投票选举机制，在众多slave节点中选出一个节点作为master继续执行。

2、哨兵的原理

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。所以整个运行的哨兵的集群的数量不得少于3个节点。

哨兵原理详细步骤

1、哨兵对数据节点集群进行监控的步骤

①首先主节点的信息是配置在哨兵的配置文件中（几个哨兵配置几次）。

②哨兵节点会和配置的主节点建立两个连接，分别为：命令连接和订阅连接

• 命令连接： 为了让哨兵节点和master建立连接关系。
• 订阅连接： 哨兵会通过命令连接后，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。

③哨兵通过订阅连接获取到了从节点的信息，便也会向这些从节点建立两条连接，命令连接和订阅连接。

• 命令连接： 为了让哨兵和slave建立连接关系
• 订阅连接： 哨兵通过命令连接向从节点发送info命令，获取到从节点的一些信息（比如：run_id、role（职能）、从服务器的复制偏移量offset）。

2、哨兵与哨兵之间的监控步骤

①通过命令连接向服务器的setinel:hello频道发送一条消息，内容包括自己的ip端口、run_id、配置等信息。

②通过订阅连接对服务器的sentinel:hello 频道做了监听，所以所由向该频道发送的哨兵的消息都能被接收到。

③解析监听到的消息，进行分析提取。就可以指导还有哪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。

④向观察到的其它的哨兵节点建立命令连接，达到批次监控的目的。

简化流程

• 哨兵向redis master节点获取状态、信息数据，并知晓从节点位置

• 哨兵向从节点获取状态、信息数据，稍定对redis集群进行监控

• 哨兵集群之间向hello频道（哨兵之间共享数据的位置）发送自己的数据

• 哨兵从hello节点获取到其它的节点的位置

• 哨兵之间进行数据共享、及彼此监控。

3、哨兵模式的作用

**①监控：**哨兵会不断的检查主节点和从节点是否运作正常。

**②自动故障转移：**当主节点不能正常工作时，哨兵会开始故障转移操作，它会将失效的主节点的集群中的一个从节点升级为新的主节点，并让其它从节点改为复制新的主节点。

**③通知（提醒）：**哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端。

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的响应（pong/loading/masterdown），哨兵就会将该实例在本结构体中的状态标记为SRI_S_DOWN主管下线。

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时，会向其它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DOWN客观下线询问命令 SENTINEL is-master-down-by-addr。那么就判断该master宕机了。

③master选举

在认为主节点客观下线的情况下，哨兵节点之间会发起一次选举，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该节点标记为leacer的情况下，会有该leader对故障进行迁移。

概括

• 由于哨兵节点定期监控发现主节点是否出现故障。

• 每个哨兵节点每1秒会向主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心跳检测。

• 如果主节点在一定时间范围不回复或回复一个错误消息，那么这个哨兵就会认为这个主节点主观下线了（单方面）

• 当超过半数哨兵节点认为该节点主观下线了，这样就客观下面。（可以设置多少数量主观下线）

• 当主节点出现故障，此时哨兵节点会通过 **“ Ratf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（领导者），来处理主节点的故障转移和通知。

• 所以整个运行的哨兵的集群数量不得少于3个节点。

由leader哨兵节点执行故障转移过程

• 将某一个节点升级为新的主节点，让其它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

需要注意的是

• 客户端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。

主节点选举

• 过滤掉不健康的（已下线），没有恢复哨兵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为主节点（replica-priority，默认值为：100）
• 选择复制偏移量最大的，也就是复制最完整的从节点。

5、哨兵+主从复制部署实验

哨兵的部署启动，需要依赖于主从复制，所以必须在redis主从复制部署好的情况下再去部署哨兵模式

5.1 查看redis主从复制端口

5.2 三台redis均要配置哨兵模式

修改配置文件，设置哨兵监控的master主节点

#所有节点配置一样，如下所示，（配置的时候可以开启同步配置）

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
 17 protected-mode no      #关闭保护模式
 21 port 26379             #Redis哨兵默认的监听端口
 26 daemonize yes		   #指定sentinel为后台启动
 36 logfile "/var/log/sentinel.log"  #指定日志存放路径
 65 dir "/var/lib/redis/6379"        #指定数据库存放路径
 84 sentinel monitor mymaster 20.0.0.55 6379 2  #指定该哨兵节点监控20.0.0.55:6379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
113 sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000  #判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒(30秒)
146 sentinel failover-timeout mymaster 180000        #146行，故障节点的最大超时时间为180000 (180秒 )

5.3 启动哨兵模式

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

5.4 查看哨兵信息

5.4 故障模拟

查看并杀死master节点的redis-server

查看哨兵信息

5.5 恢复过程

如过要将以前的master的redis启动，需要先将/var/run/redis_6379.pid文件删除，删除执行在执行/etc/init.d/redis_6379 start ，即可启动redis服务，启动之后，哨兵会将它设置为salve从节点，并自动指向新的节点。

最好再去配置文件中去指向主从复制的master，也就是将重新启动的master的配置文件/etc/redis/6379.conf 中的 288行重新指向新的master。

四、cluster集群模式

1、什么是Redis集群模式？

• Redis集群模式就是，可以解决写的操作无法负载均衡，存储受到单机限制，以及故障自动切换功能的一种集群。

• 集群由多个节点组成，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，只有主节点复制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。

2、集群的作用

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都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

②高可用：集群支持主从复制和主节点的自动故障转移(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。

3、集群模式的数据分片介绍

• Redis集群引入了哈希槽的概念

• Redis集群由16384个哈希槽（编号0-16383）

• 集群的每一个节点负责一部分哈希槽

• 每个key通过CRC算法后对16384取余来决定放置哪个槽位。

• 再通过这个槽找到对应的节点，然后直接跳转到这个对应的节点上进行存取操作

总的来说：就是cluster集群是分布式的，它可以将多个master当做一个整体来存放数据。并且cluster中有16384个slot（哈希槽），集群中的master来平分这些槽位。当需要由数据来存储到集群汇中时，需要使用CRC16算法得出一个结果，再将这个结果对16384取余，最后得到对应的槽位，根据槽位选定最顶存放的master节点。

如果有新的master节点中加入，那么槽位该怎么分呢？

• cluster集群会将现有的每个slot移除一部分，每个master移除的solt加起来等于自己等下的即可，然后将槽位给到新加的master中。

slave节点怎么复制master节点的？

• 每个slave节点对应着自己的master，不仅同步的是master的数据，还同步master的槽位，当master宕机后，salve立马上来进行顶替。

• 如果slave节点也挂了，并且master节点还没有修复，那么有一整个16384个槽位缺少了这一部分，就导致整个集群无法使用。

4、Redis集群模式部署

Redis集群一般需要6个节点，三主三从。本次实验使用一台设备模拟三主三从。

4.1 服务器上部署好redis服务

4.2 集群部署

cd /etc/redis/
mkdir -p /etc/redis/redis-cluster/redis600{1..6}
cd redis-cluster/redis6001
#在当前服务器配置6个redis服务

#!/bin/bash
for i in {1..6}
do
cp /opt/redis-5.0.7/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-5.0.7/src/redis-cli /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-5.0.7/src/redis-server /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
done
#执行脚本复制配置文件及程序到目录中

4.3 配置集群功能配置文件

[root@localhost redis6001]# vim redis.conf 
  69 #bind 127.0.0.1      #将其注释，即监听所有端口
  88 protected-mode no    #关闭保护模式
  92 port 6001            #为了区分，将端口更改，6个不能相同
  136 daemonize yes		  #开启守护进程
  699 appendonly yes	  #开启AOF持久化
  832 cluster-enabled yes #开启集群功能
  840 cluster-config-file nodes-6001.conf  #群集名称文件设置
  846 cluster-node-timeout 15000  #群集超时时间设置
  
#先配置好6001的配置文件，然后将这个配置文件拷贝到另外6002-6006中，并且，修改端口

#!/bin/bash
for i in {2..6}
do
rm -rf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i/redis.conf
cp /etc/redis/redis-cluster/redis6001/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
sed -i "s/port 6001/port 600$i/" /etc/redis/redis-cluster/redis600$i/redis.conf
sed -i "s/nodes-6001.conf/nodes-600${i}.conf/" /etc/redis/redis-cluster/redis600$i/redis.conf
done
#执行脚本一键替换其它的配置文件

4.4 启动redis 节点

#!/bin/bash
for i in {1..6}
do
cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
redis-server redis.conf
done
#分别进入6个节点，进行服务启动redis-server redis.conf

4.5 启动集群

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
# -replicas 1   表示每个主节点有1个从节点
#若使用6台服务器，此处节点ip请换为自己真实ip即端口号

4.6 集群测试

redis-cli -p 6001 -c
#-c 参数，节点之间可以相互跳转
cluster slots  
#查看节点的哈希槽编号范围
cluster keyslot 键名
#查看键的哈希槽编号