(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)

文章目录

  • 一、主从复制
    • (一)、互联网“三高”架构
      • 1、你的“Redis”是否高可用
      • 2、多台服务器连接方案
    • (二)、主从复制简介
      • 1、简介
      • 2、高可用集群
      • 3、主从复制的作用
  • 二、主从复制工作流程
    • (一)、总述(主从复制过程的3个阶段)
      • 1、阶段一:建立连接阶段
        • 1.1 建立连接阶段工作流程
        • 1.2 搭建主从结构
          • 1.2.1 主从连接(slave连接master)
          • 1.2.2 主从断开连接
        • 1.3 授权访问
      • 2、阶段二:数据同步阶段工作流程
        • 2.1 数据同步阶段master说明
        • 2.2 数据同步阶段slave说明
      • 3、 阶段三:命令传播阶段
        • 3.1命令传播阶段可能出现的问题
          • 3.1.1 服务器运行ID(runid)
          • 3.1.2 复制缓冲区
          • 3.1.3 复制缓冲区内部工作原理
          • 3.1.4 复制缓冲区总结
          • 3.1.5主从服务器复制偏移量(offset)
          • 3.1.6数据同步+命令传播阶段工作流程
          • 3.1.7 心跳机制
          • 3.1.8 心跳阶段注意事项
          • 3.1.9 主从复制工作流程(完整)
  • 三、主从复制常见问题
    • (一)频繁的全量复制(1)
    • (二) 频繁的全量复制(2)
    • (三)频繁的网络中断(1)
    • (四)频繁的网络中断(2)
    • (五)数据不一致
  • 四、哨兵模式
    • (一)哨兵简介
      • 主机“宕机”
      • 哨兵概念
      • 哨兵的作用
    • (二)启用哨兵模式
      • 1、配置哨兵
    • (三)哨兵工作原理
      • 1、哨兵在进行主从切换过程中经历三个阶段
        • 阶段一:监控阶段
          • 具体的工作顺序
        • 阶段二:通知阶段
        • 阶段三:故障转移阶段
        • 主从切换的整个过程
  • 五、集群
    • (一)集群简介
      • 1、现状问题
      • 2、集群架构
      • 3、集群作用
    • (二)Redis集群结构设计
      • 1、数据存储设计
      • 2、集群内部通讯设计
    • (三)cluster集群结构搭建
      • 1、搭建方式
      • 2、Cluster配置(redis-xxxx.conf文件)
      • 3、Cluster节点操作命令
      • 4、redis-trib命令


一、主从复制

(一)、互联网“三高”架构

 高并发:必须支持大量的用户同时访问
 高性能:性能比较高,速度比较快
 高可用:全年时间减去服务器宕机时间除以全年时间*100%
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第1张图片

1、你的“Redis”是否高可用

单机redis的风险与问题
 问题1.机器故障
 现象:硬盘故障、系统崩溃
 本质:数据丢失,很可能对业务造成灾难性打击
 结论:基本上会放弃使用redis.

 问题2.容量瓶颈
 现象:内存不足,从16G升级到64G,从64G升级到128G,无限升级内存
 本质:穷,硬件条件跟不上
 结论:放弃使用redis
 结论:
为了避免单点Redis服务器故障,准备多台服务器,互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服务器上,连接在一起,并保证数据是同步的。即使有其中一台服务器宕机,其他服务器依然可以继续提供服务,实现Redis的高可用,同时实现数据冗余备份。

2、多台服务器连接方案

提供数据方:master
主服务器,主节点,主库
主客户端
接收数据方:slave
从服务器,从节点,从库
从客户端
需要解决的问题
数据同步
核心工作
master的数据复制到slave中
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第2张图片

(二)、主从复制简介

1、简介

概念
主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中
特征
一个master可以拥有多个slave,一个slave只对应一个master

职责
1、master:
 写数据
 执行写操作时,将出现变化的数据自动同步到slave
 读数据(可忽略)
2、slave:
 读数据
 写数据(禁止)

2、高可用集群

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第3张图片

3、主从复制的作用

 读写分离:master写、slave读,提高服务器的读写负载能力
 负载均衡:基于主从结构,配合读写分离,由slave分担master负载,并根据需求的变化,改变slave的数量,通过多个从节点分担数据读取负载,大大提高Redis服务器并发量与数据吞吐量
 故障恢复:当master出现问题时,由slave提供服务,实现快速的故障恢复
 数据冗余:实现数据热备份,是持久化之外的一种数据冗余方式
 高可用基石:基于主从复制,构建哨兵模式与集群,实现Redis的高可用方案

二、主从复制工作流程

(一)、总述(主从复制过程的3个阶段)

主从复制过程大体可以分为3个阶段
1、建立连接阶段(即准备阶段)
2、 数据同步阶段
3、 命令传播阶段
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第4张图片

1、阶段一:建立连接阶段

 建立slave到master的连接,使master能够识别slave,并保存slave端口号

1.1 建立连接阶段工作流程

步骤1:设置master的地址和端口,保存master信息(1、2、3步)
步骤2:建立socket连接(4步)
步骤3:发送ping命令(定时器任务)(5步)
步骤4:身份验证(7、8步)
步骤5:发送slave端口信息(9步)
至此,主从连接成功!
状态:
slave:
保存master的地址与端口
master:
保存slave的端口
总体:
之间创建了连接的socket
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第5张图片
slaveof 指令是将一台服务器变成另一台服务器的从

1.2 搭建主从结构
1.2.1 主从连接(slave连接master)

 方式一:客户端发送命令:slaveof
 方式二:启动服务器参数:redis-server -slaveof
 方式三:服务器配置:slaveof
slave系统信息
 master_link_down_since_seconds
 masterhost
 masterport
master系统信息
 slave_listening_port(多个)

1.2.2 主从断开连接

 客户端发送命令:slaveof no one
说明:
slave断开连接后,不会删除已有数据,只是不再接受master发送的数据

1.3 授权访问

 master客户端发送命令设置密码:requirepass
 master配置文件设置密码:
config set requirepass
config get requirepass
 slave客户端发送命令设置密码:auth
 slave配置文件设置密码:masterauth
 slave启动服务器设置密码:redis-server –a

2、阶段二:数据同步阶段工作流程

 在slave初次连接master后,复制master中的所有数据到slave
 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

步骤1:请求同步数据
步骤2:创建RDB同步数据
步骤3:恢复RDB同步数据
步骤4:请求部分同步数据
步骤5:恢复部分同步数据
至此,数据同步工作完成!
状态:
slave:
具有master端全部数据,包含RDB过程接收的数据
master:
保存slave当前数据同步的位置
总体:
之间完成了数据克隆
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第6张图片

2.1 数据同步阶段master说明
  1. 如果master数据量巨大,数据同步阶段应避开流量高峰期,避免造成master阻塞,影响业务正常执行
  2. 复制缓冲区大小设定不合理,会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长,进行部分复制时发现数据已经存在丢失的情况,必须进行第二次全量复制,致使slave陷入死循环状态。
    repl-backlog-size 1mb
  3. master单机内存占用主机内存的比例不应过大,建议使用50%-70%的内存,留下30%-50%的内存用于执行bgsave命令和创建复制缓冲区
2.2 数据同步阶段slave说明
  1. 为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步,建议关闭此期间的对外服务:slave-serve-stale-data yes|no
  2. 数据同步阶段,master发送给slave信息可以理解master是slave的一个客户端,主动向slave发送命令
  3. 多个slave同时对master请求数据同步,master发送的RDB文件增多,会对带宽造成巨大冲击,如果
    master带宽不足,因此数据同步需要根据业务需求,适量错峰
  4. slave过多时,建议调整拓扑结构,由一主多从结构变为树状结构,中间的节点既是master,也是slave。注意使用树状结构时,由于层级深度,导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大,数据一致性变差,应谨慎选择

3、 阶段三:命令传播阶段

3.1命令传播阶段可能出现的问题

命令传播阶段出现了断网现象
 网络闪断闪连 忽略
 短时间网络中断 部分复制
 长时间网络中断 全量复制
部分复制的三个核心要素
 服务器的运行 id(run id)
 主服务器的复制积压缓冲区
 主从服务器的复制偏移量

3.1.1 服务器运行ID(runid)

概念:服务器运行ID是每一台服务器每次运行的身份识别码,一台服务器多次运行可以生成多个运行id
组成:运行id由40位字符组成,是一个随机的十六进制字符
例如:fdc9ff13b9bbaab28db42b3d50f852bb5e3fcdce
作用:运行id被用于在服务器间进行传输,识别身份
如果想两次操作均对同一台服务器进行,必须每次操作携带对应的运行id,用于对方识别
实现方式:运行id在每台服务器启动时自动生成的,master在首次连接slave时,会将自己的运行ID发送给slave,slave保存此ID,通过info Server命令,可以查看节点的runid

3.1.2 复制缓冲区

 概念:复制缓冲区,又名复制积压缓冲区,是一个先进先出(FIFO)的队列,用于存储服务器执行过的命
令,每次传播命令,master都会将传播的命令记录下来,并存储在复制缓冲区
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第7张图片

3.1.3 复制缓冲区内部工作原理

组成
 偏移量
 字节值
工作原理
 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
 master记录已发送的信息对应的offset
 slave记录已接收的信息对应的offset
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第8张图片

3.1.4 复制缓冲区总结

 概念:复制缓冲区,又名复制积压缓冲区,是一个先进先出(FIFO)的队列,用于存储服务器执行过的命
令,每次传播命令,master都会将传播的命令记录下来,并存储在复制缓冲区
 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M,由于存储空间大小是固定的,当入队元素的数量大于队
列长度时,最先入队的元素会被弹出,而新元素会被放入队列
 由来:每台服务器启动时,如果开启有AOF或被连接成为master节点,即创建复制缓冲区
 作用:用于保存master收到的所有指令(仅影响数据变更的指令,例如set,select)
 数据来源:当master接收到主客户端的指令时,除了将指令执行,会将该指令存储到缓冲区中

3.1.5主从服务器复制偏移量(offset)

概念:一个数字,描述复制缓冲区中的指令字节位置
分类
 master复制偏移量:记录发送给所有slave的指令字节对应的位置(多个)
 slave复制偏移量:记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置(一个)
数据来源
master端:发送一次记录一次
slave端:接收一次记录一次
作用:同步信息,比对master与slave的差异,当slave断线后,恢复数据使用

3.1.6数据同步+命令传播阶段工作流程

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第9张图片

3.1.7 心跳机制

 进入命令传播阶段候,master与slave间需要进行信息交换,使用心跳机制进行维护,实现双方连接保持在线
master心跳
 指令:PING
 周期:由repl-ping-slave-period决定,默认10秒
 作用:判断slave是否在线
 查询:INFO replication 获取slave最后一次连接时间间隔,lag项维持在0或1视为正常
slave心跳任务
 指令:REPLCONF ACK {offset}
 周期:1秒
 作用1:汇报slave自己的复制偏移量,获取最新的数据变更指令
 作用2:判断master是否在线

3.1.8 心跳阶段注意事项

 当slave多数掉线,或延迟过高时,master为保障数据稳定性,将拒绝所有信息同步操作
min-slaves-to-write 2
min-slaves-max-lag 8
slave数量少于2个,或者所有slave的延迟都大于等于10秒时,强制关闭master写功能,停止数据同步
 slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
 slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

3.1.9 主从复制工作流程(完整)

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第10张图片

三、主从复制常见问题

(一)频繁的全量复制(1)

伴随着系统的运行,master的数据量会越来越大,一旦master重启,runid将发生变化,会导致全部slave的全量复制操作

内部优化调整方案

  1. master内部创建master_replid变量,使用runid相同的策略生成,长度41位,并发送给所有slave
  2. 在master关闭时执行命令 shutdown save,进行RDB持久化,将runid与offset保存到RDB文件中
     repl-id repl-offset
     通过redis-check-rdb命令可以查看该信息
  3. master重启后加载RDB文件,恢复数据重启后,将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中
     master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
     通过info命令可以查看该信息

作用
本机保存上次runid,重启后恢复该值,使所有slave认为还是之前的master

(二) 频繁的全量复制(2)

问题现象
 网络环境不佳,出现网络中断,slave不提供服务
问题原因
 复制缓冲区过小,断网后slave的offset越界,触发全量复制
最终结果
 slave反复进行全量复制
解决方案
 修改复制缓冲区大小:repl-backlog-size
建议设置如下

  1. 测算从master到slave的重连平均时长second
  2. 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
  3. 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

(三)频繁的网络中断(1)

问题现象
 master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
问题原因
 slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
 当slave接到了慢查询时(keys * ,hgetall等),会大量占用CPU性能
 master每1秒调用复制定时函数replicationCron(),比对slave发现长时间没有进行响应
最终结果
 master各种资源(输出缓冲区、带宽、连接等)被严重占用
解决方案
 通过设置合理的超时时间,确认是否释放slave :repl-timeout
该参数定义了超时时间的阈值(默认60秒),超过该值,释放slave

(四)频繁的网络中断(2)

问题现象
 slave与master连接断开
问题原因
 master发送ping指令频度较低
 master设定超时时间较短
 ping指令在网络中存在丢包
解决方案
 提高ping指令发送的频度:repl-ping-slave-period
超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍,否则slave很容易判定超时

(五)数据不一致

问题现象
 多个slave获取相同数据不同步
问题原因
 网络信息不同步,数据发送有延迟
解决方案
 优化主从间的网络环境,通常放置在同一个机房部署,如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
 监控主从节点延迟(通过offset)判断,如果slave延迟过大,暂时屏蔽程序对该slave的数据访问
slave-serve-stale-data yes|no
开启后仅响应info、slaveof等少数命令(慎用,除非对数据一致性要求很高)

四、哨兵模式

(一)哨兵简介

主机“宕机”

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第11张图片
当master宕机后,则需要从slave选择一个当master,这个过程需要经历:
 关闭master和所有slave
 找一个slave作为master
 修改其他slave的配置,连接新的主
 启动新的master与slave
 全量复制N+部分复制N
会出现的问题:
 关闭期间的数据服务谁来承接?
 找一个主?怎么找法?
 修改配置后,原始的主恢复了怎么办?
这些问题都由哨兵来解决

哨兵概念

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。

哨兵的作用

监控:
不断的检查master和slave是否正常运行。
master存活检测、master与slave运行情况检测
通知(提醒):
当被监控的服务器出现问题时,向其他(哨兵间,客户端)发送通知。
自动故障转移:
断开master与slave连接,选取一个slave作为master,将其他slave连接到新的master,并告知客户端新的服务器地址
注意:
哨兵也是一台redis服务器,只是不提供数据服务
通常哨兵配置数量为单数

(二)启用哨兵模式

1、配置哨兵

 配置一拖二的主从结构
 配置三个哨兵(配置相同,端口不同)
参看sentinel.conf
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第12张图片
命令cat sentinel.conf | grep -v “#” | grep -v “^$” 过滤注释和空行

注:
port:端口
dir:所在的文件夹
monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2:判断是否挂了,2:表示两个认定挂了就是挂了,一般设置为单数
down-after-milliseconds mymaster 30000:主连接多长时间没响应就表示挂了
parallel-syncs mymaster 1:表示数据同步时有多个同步数据,值越小性能越快
failover-timeout myaster 180000:表示多长时间代表同步完成

 启动哨兵:redis-sentinel sentinel-端口号.conf
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第13张图片

(三)哨兵工作原理

1、哨兵在进行主从切换过程中经历三个阶段

 监控
 通知
 故障转移

阶段一:监控阶段

用于同步各个节点的状态信息
1、获取各个sentinel的状态(是否在线)(通过ping的指令判断,可以理解为发了个info,因为info带了信息回来)
2、 获取master的状态
master属性
 runid
 role:master
各个slave的详细信息
3、 获取所有slave的状态(根据master中的slave信息)
slave属性
 runid
 role:slave
 master_host、master_port
 offset
 ……

具体的工作顺序

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第14张图片

阶段二:通知阶段

(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第15张图片

阶段三:故障转移阶段

1、确定master是真的挂了
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第16张图片
2、确定master是真的挂了后,哨兵开始投票选择谁去处理:
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第17张图片
3、确定好之后开始挑选备选master:
从服务器列表中挑选备选master
 在线的
 响应慢的
 与原master断开时间久的
 优先原则
 优先级
 offset
 runid
发送指令( sentinel )
 向新的master发送slaveof no one
 向其他slave发送slaveof 新masterIP端口

主从切换的整个过程

监控
 同步信息
通知
 保持联通
故障转移
 发现问题
 竞选负责人
 优选新master
 新master上任,其他slave切换master,原master作为slave故障回复后连接

五、集群

(一)集群简介

1、现状问题

业务发展过程中遇到的峰值瓶颈
 redis提供的服务OPS可以达到10万/秒,当前业务OPS已经达到10万/秒
 内存单机容量达到256G,当前业务需求内存容量1T
 使用集群的方式可以快速解决上述问题

2、集群架构

 集群就是使用网络将若干台计算机联通起来,并提供统一的管理方式,使其对外呈现单机的服务效果

3、集群作用

 分散单台服务器的访问压力,实现负载均衡
 分散单台服务器的存储压力,实现可扩展性
 降低单台服务器宕机带来的业务灾难

(二)Redis集群结构设计

1、数据存储设计

 通过算法设计,计算出key应该保存的位置
 将所有的存储空间计划切割成16384份,每台主机保存一部分,每份代表的是一个存储空间,不是一个key的保存空间
 将key按照计算出的结果放到对应的存储空间

2、集群内部通讯设计

 各个数据库相互通信,保存各个库中槽的编号数据
 一次命中,直接返回
 一次未命中,告知具体位置

(三)cluster集群结构搭建

1、搭建方式

原生安装(单条命令)
 配置服务器(3主3从)
 建立通信(Meet)
 分槽(Slot)
 搭建主从(master-slave)
工具安装(批处理)

2、Cluster配置(redis-xxxx.conf文件)

 添加节点:cluster-enabled yes|no
 cluster配置文件名,该文件属于自动生成,仅用于快速查找文件并查询文件内容:cluster-config-file
 节点服务响应超时时间,用于判定该节点是否下线或切换为从节点:cluster-node-timeout
 master连接的slave最小数量:cluster-migration-barrier
(五)Redis集群(主从复制、哨兵模式、集群)_第18张图片

3、Cluster节点操作命令

 查看集群节点信息:cluster nodes
 进入一个从节点 redis,切换其主节点:cluster replicate
 发现一个新节点,新增主节点:cluster meet ip:port
 忽略一个没有solt的节点:cluster forget
 手动故障转移:cluster failover

4、redis-trib命令

 添加节点:redis-trib.rb add-node
 删除节点:redis-trib.rb del-node
 重新分片:redis-trib.rb reshard

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