（五）Redis集群（主从复制、哨兵模式、集群）

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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%

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

（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

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

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

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

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

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

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

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）

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”

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

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

（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

阶段二：通知阶段

阶段三：故障转移阶段

1、确定master是真的挂了

2、确定master是真的挂了后，哨兵开始投票选择谁去处理：

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

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