Redis的主从复制，哨兵和Cluster集群

一、Redis的高可用 

1.1 redis高可用的概念

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。

1.2 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。

• 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。

• 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。

• 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。

• 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。

2.1 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。

2.2 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、Redis一主二从的部署 

实验组件

主从	redis的版本号	IP地址
master	redis-5.0.7	192.168.73.105
slave1	redis-5.0.7	192.168.73.106
slave2	redis-5.0.7	192.168.73.107

 

实验具体步骤 

 实验前准备好三台源码编译安装好的redis虚拟机

步骤一：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，尤其是多网卡最好填写物理网卡的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

步骤二：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 192.168.73.105 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 192.168.73.107:/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

 

 实验测试 

master写入数据 

127.0.0.1:6379> keys *
 
127.0.0.1:6379> set name zhangsan
 
127.0.0.1:6379> get name 

 

两个从库查看数据库  

 

 

 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。

哨兵模式的组成：

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。

4.1  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。

此外：哨兵节点也可以是单独独立在其他的主机上，并不需要一定安装redis主从复制的节点服务器上 

4.2 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

4.3 哨兵模式中主节点的选拔 

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哨兵模式的部署

实验组件部署

主从	redis的版本号	IP地址	哨兵点
master	redis-5.0.7	192.168.73.105	Sentinel 1
slave1	redis-5.0.7	192.168.73.106	Sentinel 2
slave2	redis-5.0.7	192.168.73.107	Sentinel 3

 

实验具体操作步骤 

 在redis主从复制的基础上进行哨兵模式的部署

 

步骤一：修改哨兵节点的配置文件

哨兵的的配置文件是redis软件中自带的配置 

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
......
protected-mode no                #17行，取消注释，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，指定日志文件存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"        #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.73.105 6379 2  #84行，修改
#指定该哨兵节点监控192.168.73.105:6379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 3000  #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，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）
​
#传给两外2个哨兵节点
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.73.106:/opt/redis-5.0.7/
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.73.107:/opt/redis-5.0.7/ 

步骤二：启动 哨兵模式，查看其监控状态 

#启动三台哨兵
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &
 
#在哨兵节点查看监控状态
[root@localhost ~]# redis-cli -p 26379 info Sentinel

 

实验测试 

 故障模拟

#在Master 上查看redis-server进程号:
[root@localhost ~]# ps -ef | grep redis
​
#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# kill -9 pid号      #Master节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# netstat -natp | grep redis

 

 实验结果

[root@localhost redis-5.0.7]# tail -f /var/log/sentinel.log
 
 
#新master进行键值对的创建
[root@localhost redis-5.0.7]# redis-cli 
127.0.0.1:6379> set newname lisi
OK
127.0.0.1:6379> get newname
"lisi"
127.0.0.1:6379> 

 

测试结果：  

 

 

六、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。

6.1 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。

6.2 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

七、Redis集群的部署 

真实生产环境中，redis的cluster集群至少需要六台服务器才能实现 ，如果因为电脑性能问题

可以尝试redis多实例部署

实验组件的部署 

实验的具体步骤 

步骤一：修改主配置文件 

 cd /opt/redis-5.0.7/
vim redis.conf
......
bind 192.168.73.105                    #69行，修改为监听自己的物理网卡IP
protected-mode no                         #88行，修改为no，关闭保护模式
port 6379                                 #92行，redis默认监听端口
daemonize yes                             #136行，开启守护进程，以独立进程启动
appendonly yes                            #700行，修改为yes，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-6379.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
​
​
#将文件传给另外5个节点，之后每个节点要修改监听地址为主机本身的监听地址
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.73.106:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.73.107:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.73.109:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.73.110:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.73.111:`pwd`
 

 

步骤二： 进行redis的启动和集群启动

 集群模式启动时：注意  /etc/initid/redis_6379    不能启动（个体redis）

 cd /opt/redis-5.0.7/
redis-server redis.conf   #启动redis节点
 
##六个主机分为三组，三主三从，前面的做主节点后面的做从节点下免交互的时候需要输入yes才可以创建 "-replicas 1"表示每个主节点有一个从节点
#前三台为Master，后三台为Slave
 
redis-cli  -h 192.168.73.105 --cluster create 192.168.73.105:6379 192.168.73.106:6379 192.168.73.107:6379 192.168.73.109:6379 192.168.73.110:6379 192.168.73.111:6379 --cluster-replicas 1

 

集群模式的测试  

#集群模式要求用物理网卡登录
redis-cli -h 192.168.73.105   -c
 
#查看集群的hash槽和主从关系
cluster slots