Redis集群

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主从复制

简介

互联网”三高”架构：高并发、高性能、高可用

_高可用：业界可用性目标5个9，即*_99.999%**，即全年服务器宕机时长低于315秒，**约5.25分钟***

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，将数据复制从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

解决方案

Redis主从复制.png

  • 提供数据方：master
    • 主服务器、主节点、主库
    • 主客户端
  • 接受数据方：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

解析

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：

  • 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）
  • slave
    • 读数据
    • 写数据（禁止）

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，构建哨兵与集群，实现Redis的高可用方案

工作流程

Redis主从复制流程.png

  • 主从复制过程大体可以分为3个阶段
    • 建立连接阶段（即准备阶段）
    • 数据同步阶段
    • 命令传播阶段

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
Redis主从复制流程2.png

  1. [slave]设置master的地址和端口，保存master信息
  2. [slave]建立socket连接
  3. [slave]发送ping命令(定时器任务)
  4. [slave]身份验证
  5. [slave]发送slave端口信息
  6. 至此主从连接成功
  7. 达到了以下状态：
    1. slave：保存master的地址与端口
    2. master：保存slave的端口
    3. 总体：master与slave之间创建了连接的socket

连接阶段(slave连master)

  • 方式一：客户端发送命令：slaveof <masterip> <masterport>

  • 方式二：启动服务器参数：redis-server -slaveof <masterip> <masterport>

  • 方式三：服务器配置：slaveof <masterip> <masterport>

  • slave系统信息

    • master_link_down_since_seconds
    • masterhost
    • masterport

  • master系统信息

    • slave_listening_port（多个）

授权阶段(master没密码可省略)

  • master配置文件设置密码

    1
    requirepass <password>

  • master客户端发送命令设置密码

    1
    2
    config get requirepass <password>  
    config get requirepass

  • slave客户端发送命令设置密码

    1
    auth <password>

  • slave配置文件设置密码

    1
    masterauth <password>

  • 启动客户端设置密码

    1
    redis-cli -a <password>

数据同步阶段

Redis主从复制数据同步阶段.png

  1. [slave]请求同步数据
  2. [master]创建RDB同步数据
  3. [slave]恢复RDB同步数据
  4. [slave]请求部分同步数据
  5. [slave]恢复部分同步数据
  6. 至此数据同步工作完成
  7. 达到了以下状态
    1. slave：具有master端全部数据，包含RDB过程接受的数据
    2. master：保存slave当前数据同步的位置
    3. 总体：master与slave之间完成了数据克隆

同步阶段master说明

  1. 如果master数据量巨大，数据同步阶段应避免流量高峰期，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

    1
    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

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

    1
    slave-serve-stable-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同时向master请求数据同步，master发送的RDB文件增多，如果master带宽不足，会对带宽造成巨大冲击，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，由一主多从从结构变成树状结构，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与顶层master间数据同步延迟较大，数据一致性变差，应谨慎选择

命令传播阶段

  • 当master数据库状态被修改时，导致主从服务器数据库状态不一致，此时需要让主从数据同步到一致的状态，同步的动作称为命令传播
  • master将接收到的数据变更命令发送给slave，slave接受命令后执行命令

命令传播阶段的部分复制

  • 命令传播阶段出现断网现象：

    • 网络闪断闪联 –> 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(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
      • 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
    • 主服务器的复制积压缓冲区
      • 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
        • 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或被连接成位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，还会将指令存储到缓冲区中
      • 组成：偏移量和字节值
      • 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记录已接受的信息对应的offset
    • 主从服务器的复制偏移量
      • 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接受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：接受一次记录一次
      • 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

数据同步+命令传播阶段工作流程

Redis数据同步完整流程.png

心跳机制

进入命令传播阶段，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心跳任务

  • 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

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

    1
    2
    min-slave-to-write 2  
    min-slave-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

主从复制的完整工作流程图

主从复制的完整工作流程.png

常见问题

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（redis自己操作的）
    • 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
    • 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
    • master重启后加载RDB文件，恢复数据，重启后RDB文件将保存的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

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：修复复制缓冲区大小
  • 建议设置如下：
    • 测算从master到slave的重连平均时长second
    • 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
    • 最有复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断(1)

  • 问题现象：master的CPU占用过高或slave频繁断开联系

  • 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()，会对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

    1
    repl-timeout

    该参数定义了超时时间的阙值（默认60秒），超过该值，释放slave

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

    1
    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

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

      1
      slave-serve-stable-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）

哨兵模式

主从复制模式中，如果master宕机了，需要做以下操作：

  1. 将宕机的master下线
  2. 找一个slave作为master
  3. 通知所有的slave连接新的master
  4. 启动新的master与slave

哨兵

哨兵是一个分布式系统，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

image.png

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后，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

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

启动哨兵

  • 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

  • 启动哨兵

    1
    redis-sentinel sentinel-端口号.conf

  • 启动顺序

    1. 启动master
    2. 启动slave
    3. 启动哨兵

sentinel.conf

  • port 26379：哨兵对外的端口

  • dir /tmp：哨兵的工作信息存储位置

  • sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2

    设置哨兵监控的Master，其中mymaster是自己给master起的名字，可以自定义，后面使用的时候保持一致即可，最后面的2表示有多少个哨兵认为master挂了，就认定为挂了，一般设置(哨兵数量/2+1)

  • sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000

    master连接多长时间没响应就认为挂了

  • sentinel parallel-syncs mymaster 1

    进行新的master切换的时候，一次有多少个slave来进行同步数据，这个值越小，对服务器性能压力越小，速度越慢，相反，这个值越大，对服务器性能压力就越大，与之对应的速度就越快

  • sentinel failover-timeout mymaster 1800000

    在进行同步的时候，超过多长的时间算超时

工作原理

监控

用于同步各个节点的状态信息

  • 获取各个sentinel的状态（是否在线）
  • 获取master的状态
    • master属性
      • runid
      • role：master
    • 各个slave的详细信息
      • runid
      • role：slave
      • master_host、master_port
      • offset
      • …
  1. sentinelA在启动的时候，会先连接master，建立CMD连接，获取master信息，并在master的配置里新增自己的信息
  2. sentinelA在获取到master信息后，通过master信息得到master的slave信息，然后连接slave，获取slave信息
  3. sentinelB启动时连接master，获取master信息，这时候发现master已经有sentinelA连接过的记录，便与sentinelA建立起一条pub/sub通道(发布订阅通道)，再连接master对应的slave
  4. 再有其他的sentinel启动连到master，一样执行的是sentinelB的步骤，就这样，每个sentinel都与其他的sentinel建立连接，形成一个小型组网

通知

多个sentinel中的其中一个向master和slave发送一条hello信息，确定是否在线，并将这个是否在线的结果发布到sentinel自己的组网里，通知其他sentinel这个结果

故障转移

  1. 当通知阶段中有一个sentinelA发送了hello信息给master，但是master没做反应，这时候这个sentinelA就认为这个master出现故障，便将这个master的状态标记为sdown(主观下线)，并将这个消息发布到sentinel的pub/sub的通道中，通知其他sentinel
  2. 其他sentinel街道sentinelA发布的消息，作为吃瓜群众赶紧也去发送hello信息给master，看看是不是真挂了。这时如果达到了sentinel.conf里配置的数量的sentinel认为master挂了，那所有的sentinel就都认为master是真挂了，便将这个master的状态标记为odown(客观下线)
  3. 出现odown之后，所有sentinel就开会讨论谁去做故障转移这件事，sentinel发起投票，确定谁去做故障转移
  4. 挑选出来做故障处理的sentinel要依照下面的规则挑选备选master
    1. 在线的（排除掉下线的）
    2. 响应快的（排除掉响应慢的）
    3. 与原master沟通密切的（排除掉与原master断开时间久的）
    4. 有限原则
      1. 优先级
      2. offset
      3. runid
  5. 挑选出备选master之后，便向新的master发送slaveof no one的指令，将它升级到master，然后再向其他slave发送slaveof 新masterIP 端口，让其他slave全部指向新master

原master重新上线之后，会变成slave去连接现在的master

集群

现状问题

  • redis提供的服务OPS可以达到10w/秒，当前业务OPS已经达到20w/秒
  • 内存单机容量达到256G，当前业务需求内存容量1T

这时候就需要集群来解决上面的问题了

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

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

集群的数据存储

  • 通过算法设计，计算出key应该保存的位置
    • 通过CRC16(key)得到一个数值，然后与16384取模，得到这个key最终应该保存的位置
  • 也就是说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，不是存储一个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
  • 增强可扩展性

集群的内部通讯设计

  • 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

集群搭建

  • 搭建一个三主三从的集群

cluster配置：

1
2
3
cluster-enabled yes  
cluster-config-file nodes-6379.conf  
cluster-node-timeout 100000

大概的redis.conf配置如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
port 6379  
daemonize yes  
dir /redis-all-in/data  
dbfilename dump-6379.rdb  
rdbcompression yes  
rdbchecksum yes  
save 10 2  
appendonly yes  
appendfsync always  
appendfilename appendonly-6379.aof  
databases 16  
cluster-enabled yes  
cluster-config-file nodes-6379.conf  
cluster-node-timeout 10000

启动命令（redis 5.0以后的启动方式）：

1
redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6379 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 127.0.0.1:6384 --cluster-replicas 1

输入上面命令之后redis会自动分配槽位置与主从节点，确定没问题之后输入yes即可自动创建cluster集群

--cluster-replicas表示1个master连1个slave

Cluster节点操作命令

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