Redis高可用之主从复制、哨兵、cluster集群
一 Redis高可用
1.什么是高可用
在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务(99.9%、99.99%、99.999%等等)。
高可用的计算公式是1-（宕机时间）/（宕机时间+运行时间）有点类似与网络传输的参数误码率，我们用9的个数表示可用性：
2个9：99%，一年内宕机时长：1%×365天=3.6524天=87.6h
4个9：99.99%，一年内宕机时长：0.01%×365天=52.56min
5个9：99.999%，一年内宕机时长：0.001%*365天=5.265min
11个9：几乎一年宕机时间只有几秒钟
但是在Redis语境中，高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务（如主从分离、快速容灾技术），还需要考虑数据容量的扩展、数据安全不会丢失等。
2.Redis的高可用技术
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cluster集群，下面分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题。
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持久化： 持久化是最简单的高可用方法（有时甚至不被归为高可用的手段），主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。
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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（和同步），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。
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哨兵： 在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。（主挂了，找一个从成为新的主，哨兵节点进行监控）
- 缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。
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Cluster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。（6台起步，成双成对，3主3从）
二 Redis主从复制
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），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（或没有从节点），但一个从节点只能有一个主节点。
1.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。
Redis主从架构可以解决单机的读写瓶颈问题，但是没有自动故障转移功能，不能解决master单点故障问题。
2.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。
三 搭建Redis主从复制
实验环境
| 主从 | 虚机 | IP地址 |
| master | centos7-1 | 192.168.121.10 |
| slave1 | centos7-2 | 192.168.121.20 |
| slave2 | centos7-3 | 192.168.121.30 |
实验步骤
1.所有节点安装Redis
#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
#安装环境依赖包，下载编译工具
yum install -y gcc gcc-c++ make
#上传软件包并解压
cd /opt/
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
#开2核编译安装，指定安装路径为/usr/local/redis
make -j2 && make PREFIX=/usr/local/redis install
#由于Redis源码包中直接提供了Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行./configure 进行配置，可直接执行make与make install命令进行安装。
#执行软件包提供的install_server.sh 脚本文件，设置Redis服务所需要的相关配置文件
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
.......#一直回车
Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server
#这里默认为/usr/local/bin/redis-server，需要手动修改为/usr/local/redis/bin/redis-server，注意要一次性正确输入
---------------------- 虚线内是注释 ----------------------------------------------------
Selected config:
Port: 6379 #默认侦听端口为6379
Config file: /etc/redis/6379.conf #配置文件路径
Log file: /var/log/redis_6379.log #日志文件路径
Data dir : /var/lib/redis/6379 #数据文件路径
Executable: /usr/local/redis/bin/redis-server #可执行文件路径
Cli Executable : /usr/local/bin/redis-cli #客户端命令工具
-----------------------------------------------------------------------------------
#当install_server.sh 脚本运行完毕，Redis 服务就已经启动，默认监听端口为6379
netstat -natp | grep redis
#把redis的可执行程序文件放入路径环境变量的目录中，便于系统识别
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
#Redis服务控制
/etc/init.d/redis_6379 stop #停止
/etc/init.d/redis_6379 start #启动
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启
/etc/init.d/redis_6379 status #查看状态
2.修改master节点的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0 #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
daemonize yes #137行，开启守护进程，后台启动
logfile /var/log/redis_6379.log #172行，指定日志文件存放目录
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
3.修改slave节点的配置文件
#修改slave1的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0 #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
daemonize yes #137行,开启守护进程，后台启动
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
replicaof xxx.xxx.xxx.xxx 6379 #288行,指定要同步的Master节点的IP和端口
appendonly yes #700行,修改为yes，开启AOF持久化功能
#将配置文件传给slave2
scp /etc/redis/6379.conf xxx.xxx.xxx.xxx:/etc/redis/
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启redis
netstat -natp | grep redis #查看主从服务器是否已建立连接
4.验证主从效果
1）主节点查看日志，并插入一条数据。
#主节点查看日志
[root@mas utils]# tail /var/log/redis_6379.log
......
71245:M 19 Jun 2022 23:43:15.482 * Synchronization with replica 192.168.121.20:6379 succeeded
......
71245:M 19 Jun 2022 23:43:32.978 * Synchronization with replica 192.168.121.30:6379 succeeded
#主节点插入一条数据
[root@mas utils]# redis-cli
127.0.0.1:6379> set name xxx
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"xxx"
2）从节点查看数据是否同步成功。
[root@slave1 utils]# redis-cli #slave1查看数据同步成功
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"xxx"
[root@slave2 utils]# redis-cli #slave2查看数据同步成功
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"xxx"
四 Redis哨兵模式
主从切换技术的方法是：当服务器宕机后，需要手动一台从机切换为主机，这需要人工干预，不仅费时费力而且还会造成一段时间内服务不可用。为了解决主从复制的缺点，就有了哨兵机制。
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，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其它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。
2.哨兵结构
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。
3.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
每个哨兵节点每隔1秒会问主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心检测。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。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3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
4.主节点的选举
1.过滤掉不健康的（己下线的），没有回复哨兵ping响应的从节点。
2.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）
3.选择复制偏移量最大，也就是复制最完整的从节点。
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。
五 Redis集群模式
集群，即Redis Cluster，是Redis3.0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。
1.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，在介绍持久化和主从复制时都有提及；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。
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。
2.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。
以3个节点组成的集群为例：
- 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
3.集群模式的主从复制模型
- 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。