Redis高可用技术 二：主从复制、哨兵、Cluster集群

1. 主从复制

1.1 简介

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。

1.2 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；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。

1.3 主从复制的特性

1. 一个master可以有多个slave；

2. 一个slave只能有一个master;

3. 数据流是单向的,master到slave；

4. 主从复制底层依赖与RDB方式进行全量复制。

1.4 主从复制的工作原理

Redis主从之间的复制分为两点：

1. 全量复制
2. 增量复制

1.4.1 全量复制

Redis在第一次实现主从关系时会进行全量复制。

1. Slave 通过 psync命令同步数据与Master建立socket长连接；

2. Master 收到psync命令,执行bgsave语句生成RDB快照；

3. Master发送RDB数据；

4. Slave清空数据并加载Master发来的RDB数据；

5. Master将生成RDB文件过程中，修改的数据，从repl buffer发送给Slave；

6. Slave执行接收到的修改命令；

7. Master通过socket长连接持续把写命令发送给从接单，保证数据一致性。

1.4.2 增量复制

如果由于网络原因造成原因造成主从断开，期间有数据写入master，再次形成主从时，会形成增量复制。

1. Slave连接断开；

2. Master最近数据的修改命令的缓存；

3. Slave重新建立Socket长连接到master；

4. Slave psync命令同步数据: offset偏移量控制；

5. Master判断 Slave的offset。如果在repl backlog buffer中,Master会将缓存中从salve的offset之后数据一次性同步给salve节点,否则会全量同步；

6. Master通过socket长连接持续把写命令发送给从节点，保证主从一致性。

1.5 Redis主从同步策略

主从刚刚连接的时候，进行全量同步；全同步结束后，进行增量同步。

当然，如果有需要，slave 在任何时候都可以发起全量同步。

redis 策略是，无论如何，首先会尝试进行增量同步，如不成功，要求从机进行全量同步

2. 搭建Redis主从复制

节点服务器：
master 192.168.67.104
slave1 192.168.67.103
slave2 192.168.67.102

2.1 前置准备

#所有节点服务器配置
systemctl disable --now firewalld
#开机自动关闭防火墙

sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config
#永久关闭selinux策略

所有节点编译安装redis数据库

#修改内核参数
vi /etc/sysctl.conf
vm.overcommit_memory = 1
net.core.somaxconn = 2048
#vm.overcommit_memory：该配置项用于设置内存超额分配策略。
#当值为 0 时，表示内核会根据实际情况动态分配内存，但这可能导致内存超额分配，当系统内存不足时，可能会引发OOM（Out of Memory）错误。
#将其设置为 1 可以禁用内存超额分配，确保只有在内存充足的情况下才能进行内存分配。这对于确保系统稳定性和可靠性是有帮助的。

#net.core.somaxconn：该配置项用于设置系统中允许的最大挂起连接数。
#当系统接收到大量并发连接请求时，如果系统的连接队列已满，则新的连接请求会被拒绝。
#通过增加 net.core.somaxconn 的值，可以增加系统的连接队列大小，从而提高系统处理并发连接请求的能力。

sysctl -p
#刷新参数

wget https://download.redis.io/releases/redis-7.0.13.tar.gz
#可以在官网上下载安装包
redis-7.0.9.tar.gz         #所需安装包

yum install -y gcc gcc-c++ make

tar zxvf /opt/redis-7.0.9.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-7.0.9

make
make PREFIX=/usr/local/redis install     #指定安装目录
#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

mkdir /usr/local/redis/{conf,log,data}


cp /opt/redis-7.0.9/redis.conf /usr/local/redis/conf/
#建立用户redis来管理服务，更改工作目录的属主属组
useradd -M -s /sbin/nologin redis
chown -R redis.redis /usr/local/redis/
#创建管理用户并更改属主和属组

#添加环境变量
vi /etc/profile 

PATH=$PATH:/usr/local/redis/bin		
#增加一行
#可以直接使用redis命令

source /etc/profile
#刷新文件

vi /usr/local/redis/conf/redis.conf

bind 127.0.0.1 192.168.67.104				#87行，添加 监听的主机地址
protected-mode no					
#111行，将本机访问保护模式设置no。如果开启了，那么在没有设定bind ip且没有设密码的情况下，Redis只允许接受本机的响应
port 6379									#138行，Redis默认的监听6379端口
daemonize yes								#309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid		#341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"
#354行，指定日志文件
dir /usr/local/redis/data	#504行，指定持久化文件所在目录
requirepass abc123			#1037行，增加一行，设置redis密码

vi /usr/lib/systemd/system/redis-server.service
[Unit]
Description=Redis Server
After=network.target

[Service]
User=redis
Group=redis
Type=forking
TimeoutSec=0
PIDFile=/usr/local/redis/log/redis_6379.pid
ExecStart=/usr/local/redis/bin/redis-server /usr/local/redis/conf/redis.conf
ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID
ExecStop=/bin/kill -s QUIT $MAINPID
PrivateTmp=true

[Install]
WantedBy=multi-user.target

systemctl daemon-reload
#重新加载

#启动服务
systemctl start redis-server
systemctl enable redis-server

ss -lntp | grep 6379
#查看相关进程

2.2 配置master节点

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf
#修改redis主配置文件

bind 0.0.0.0							#87行，修改监听地址为0.0.0.0
protected-mode no						#111行，将本机访问保护模式设置no
port 6379								#138行，Redis默认的监听6379端口
daemonize yes							#309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid		#341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"	#354行，指定日志文件
dir /usr/local/redis/data				#504行，指定持久化文件所在目录
#requirepass abc123						#1037行，可选，设置redis密码
appendonly yes							#1380行，开启AOF

systemctl restart redis-server.service
#重启数据库

2.3 配置slave1-2节点

slave

vim /usr/local/redis/conf/redis.conf
#编辑redis主配置文件

bind 0.0.0.0							
#87行，修改监听地址为0.0.0.0

protected-mode no						
#111行，将本机访问保护模式设置no

port 6379								
#138行，Redis默认的监听6379端口

daemonize yes							
#309行，设置为守护进程，后台启动

pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid		#341行，指定 PID 文件

logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"	#354行，指定日志文件

dir /usr/local/redis/data				
#504行，指定持久化文件所在目录

replicaof 192.168.67.104 6379			
#528行，指定要同步的Master节点IP和端口

masterauth abc123						
#535行，可选，指定Master节点的密码，仅在Master节点设置了requirepass

requirepass abc123						
#1038行，可选，设置redis密码

appendonly yes							
#1380行，开启AOF

systemctl restart redis-server.service
#重启服务

slave2

#在slave1中
scp 192.168.67.102:/usr/local/redis/conf/redis.conf /usr/local/redis/conf/redis.conf
#远程传输配置文件

systemctl restart redis-server.service

2.4 主从复制结果验证

#前往master查看日志
tail -f /usr/local/redis/log/redis_6379.log 

#在Master节点上验证从节点：
redis-cli -a abc123 info replication -a

3. 哨兵模式

3.1 简介

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。
默认端口号：26379

3.2 哨兵的作用

• 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。

3.3 结构组成

• 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。

3.4 哨兵故障转移机制

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。

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。

由leader哨兵节点执行故障转移

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。

注：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。

3.5 主节点选举机制

1. 过滤掉不健康的（已下线的），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。

3.6 部署Redis哨兵模式

#节点服务器
master 192.168.67.104
slave1 192.168.67.103
slave2 192.168.67.102

3.6.1 修改所有节点 Redis 哨兵模式的配置文件

cp /opt/redis-7.0.9/sentinel.conf /usr/local/redis/conf/
#拷贝模板文件

chown redis.redis /usr/local/redis/conf/sentinel.conf
#更改文件属主和属组

vi /usr/local/redis/conf/sentinel.conf
#编辑配置文件

protected-mode no							
#6行，关闭保护模式

port 26379									#10行，Redis哨兵默认的监听端口

daemonize yes								#15行，指定sentinel为后台启动

pidfile /usr/local/redis/log/redis-sentinel.pid		
#20行，指定 PID 文件

logfile "/usr/local/redis/log/sentinel.log"	#25行，指定日志存放路径

dir /usr/local/redis/data					#54行，指定数据库存放路径

sentinel monitor mymaster 192.168.67.104 6379 2
#73行
#指定该哨兵节点监控192.168.67.104:6379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 auth-pass mymaster abc123			#76行指定Master节点的密码，仅在Master节点设置了requirepass

sentinel down-after-milliseconds mymaster 3000
#114行，判定服务器down掉的时间周期，默认3000毫秒（3秒）

sentinel failover-timeout mymaster 180000	#214行，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）

3.6.2 实现基于vip的故障漂移

#VIP地址漂移
#修改哨兵配置文件279行，添加脚本路径
sentinel client-reconfig-script mymaster /usr/local/redis/conf/fail.sh

#!/bin/bash
MASTER_IP=$6
#表示传递的第六个参数，即新Master的地址
INTERFACE="ens33"
LOCAL_IP=$(ifconfig $INTERFACE | awk 'NR==2 {print $2}')
#本机IP 网卡ens33对应
VIP="192.168.2.200"
#设定VIP
NETMASK="24"
KEY="1"

#判断当前节点是否为主节点
if [ "$MASTER_IP" = "$LOCAL_IP" ];then
/sbin/ifconfig ${INTERFACE}:${KEY} ${VIP}/${NETMASK}
#如果是，将设定的VIP绑定到指定的网络接口上
exit 0
else
/sbin/ifconfig ${INTERFACE}:${KEY} down
#如果不是，将指定的网络接口和绑定的VIP停止
fi
exit 1


chmod +x fail.sh
#给脚本加执行权限

#Master节点的脚本和配置文件传输给Slave1
scp /usr/local/redis/conf/sentinel.conf 192.168.67.103:/usr/local/redis/conf/sentinel.conf
scp /usr/local/redis/conf/fail.sh 192.168.67.103:/usr/local/redis/conf/

#Master节点的脚本和配置文件传输给Slave2
scp /usr/local/redis/conf/sentinel.conf 192.168.67.102:/usr/local/redis/conf/sentinel.conf
scp /usr/local/redis/conf/fail.sh 192.168.67.102:/usr/local/redis/conf/


chown redis.redis /usr/local/redis/conf/sentinel.conf
#复制过后需要更改属主和属组

3.6.3 启动哨兵模式

注：一定要先启动master，再启动slave

cd /usr/local/redis/conf/

redis-sentinel sentinel.conf &

3.6.4 查看哨兵信息

redis-cli -p 26379 info Sentinel

#执行脚本
#添加VIP
bash fail.sh 1 1 1 1 1 192.168.67.104 1
ifconfig

3.6.5 故障模拟测试

观察各个节点的master、slave状态，还有VIP地址能否自动漂移。

#关闭主节点的Redis服务
systemctl stop redis-server

#通过slave1观察是否自动故障转移
redis-cli -h 192.168.67.103 -p 26379

info sentinel

#前往slave1查看VIP是否漂移
ifconfig

#重新启动master节点redis服务
systemctl start redis-server

#连接到redis
redis-cli -a abc123 -h 192.168.67.104 info replication

#观察两个配置文件 
#可以看到配置文件自动被修改，原来的master状态变为slave

4. Redis集群

4.1 集群的简单介绍

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

集群由多组节点(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。

4.2 集群的作用

可以归纳为两点

4.2.1 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。

注：Redis单机内存大小受限问题

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。

4.2.2 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。

4.3 集群的数据分片

1. Redis集群引入了哈希槽的概念
2. Redis集群有16384个哈希槽（编号0-16383）
3. 集群的每组节点负责一部分哈希槽
4. 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

#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位为的主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用。

4.4 搭建Redis群集

Redis的集群一般需要6个节点，3主3从。

方便起见，这里在同一台服务器上模拟。

4.4.1 前置准备

服务器	IP	主端口	从端口
Node1节点	192.168.2.106	6001	6004
Node2节点	192.168.2.106	6002	6005
Node3节点	192.168.2.106	6003	6006

4.4.2 创建集群管理目录及文件

cd /usr/local/redis/
mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}

#复制 Redis 配置文件和可执行文件到不同目录
for i in {1..6}
do
#执行复制 循环6次
cp /opt/redis-7.0.9/redis.conf /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-7.0.9/src/redis-cli /opt/redis-7.0.9/src/redis-server /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
done

#创建相应pid和日志文件
touch redis_6001.pid
touch redis_6001.log
#重复操作

4.4.3 开启Redis群集功能

其他5个文件夹的配置文件配置类似，6个端口都要不一样。

cd /usr/local/redis/redis-cluster/redis6001

vim redis.conf

#bind 127.0.0.1								#87行，注释掉bind项，默认监听所有网卡

protected-mode no								#111行，关闭保护模式
port 6001										#138行，修改redis监听端口
daemonize yes									#309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6001.pid		#341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6001.log"	#354行，指定日志文件
dir ./											#504行，指定持久化文件所在目录
appendonly yes									#1379行，开启AOF
cluster-enabled yes								#1576行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6001.conf				#1584行，取消注释，群集名称文件设置
cluster-node-timeout 15000						#1590行，取消注释群集超时时间设置

#将6001的配置文件，分别复制给2-6
cp redis.conf ../redis6002/
cp redis.conf ../redis6003/
cp redis.conf ../redis6004/
cp redis.conf ../redis6005/
cp redis.conf ../redis6006/

#使用sed，直接替换端口号
sed -i 's/6001/6002/' ../redis6002/redis.conf
#以6002为例，其余操作相同

sed -n '/6002/p' redis.conf
#查看是否更改成功

4.4.4 启动所有redis节点

#进入各个节点文件
redis-server redis.conf
#执行命令，启动节点

ps -ef | grep redis
#查看进程

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。

4.4.5 测试集群

#登录6001
redis-cli -p 6001 -c					
#加-c参数，节点之间就可以互相跳转
cluster slots			
#查看节点的哈希槽编号范围

#测试
127.0.0.1:6002> set name scj
127.0.0.1:6001> cluster keyslot name
#查看name键的槽编号

redis-cli -p 6005 -c
127.0.0.1:6004> keys *						#对应的slave节点也有这条数据，但是别的节点没有

#连接到6001节点并获取集群中的节点信息
redis-cli -p 6001 -c cluster nodes

4.5 扩充Cluster集群

4.5.1 再次创建集群管理目录及文件

cd /usr/local/redis/
mkdir -p redis-cluster/redis600{7..8}
#复制 Redis 配置文件和可执行文件到不同目录
for i in {7..8}
do
cp /opt/redis-7.0.9/redis.conf /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-7.0.9/src/redis-cli /opt/redis-7.0.9/src/redis-server /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
done

#创建pid及日志文件
touch redis_6007.log
touch redis_6007.pid
#重复操作

4.5.2 修改配置文件并开启集群功能

cp ../redis6001/redis.conf redis.conf
#覆盖原配置文件
sed -i 's/6001/6007/' redis.conf
#修改其中端口号
sed -n '/6007/p' redis.conf

#重复操作

#修改完成后开启集群功能
./redis-server ./redis.conf

ps -ef | grep redis

4.5.3 将7-8添加如集群中

#创建一个新的主节点127.0.0.1:6007。命令里需要指定一个已有节点以便于获取集群信息，本例是指定的127.0.0.1:6001
redis-cli -p 6001 --cluster add-node 127.0.0.1:6007 127.0.0.1:6001
或
redis-cli -p 6001
cluster meet 127.0.0.1 6007
cluster meet 127.0.0.1 6008

cluster nodes

#将127.0.0.1:6008创建为127.0.0.1:6007的从节点。命令里需要指定一个已有节点以便于获取集群信息和主节点的node ID
redis-cli -p 6007 --cluster add-node 127.0.0.1:6008 127.0.0.1:6007 --cluster-slave --cluster-master-id 27b680c2a455f25b9a4192fa4bc48e496ef6c5d2 
或
redis-cli -p 6008
cluster replicate 27b680c2a455f25b9a4192fa4bc48e496ef6c5d2 

#新加入的主节点是没有槽数的，只有初始化集群的时候，才会根据主的数据分配好，如新增的主节点，需要手动分配
redis-cli -p 6007 --cluster reshard 127.0.0.1:6001
#从6001分配哈希槽到6007

#查看集群状态
cluster nodes