1. 主从复制

目的:保证互联网”三高”架构(高并发,高性能,高可用)中的高可用

1.1 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。

1.2 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

1.3 主从复制简介

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

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

1.4 主从复制工作流程

1.4.1 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

步骤1:设置master的地址和端口,保存master信息

步骤2:建立socket连接

步骤3:发送ping命令(定时器任务)

步骤4:身份验证

步骤5:发送slave端口信息

建立连接阶段工作流程)

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

主从连接(slave连接master)

  • 方式一:客户端发送命令

    slaveof <masterip> <msaterport>

  • 方式二:启动服务器参数

    redis-server -slaveof <masterip> <msaterport>

  • 方式三:服务器配置

slaveof <masterip> <msaterport>

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

授权访问

  • master客户端发送命令设置密码

    requirepass <password>

  • master配置文件设置密码

    config set requirepass <password>

    config get requirepass

  • slave客户端发送命令设置密码

    auth <password>

  • slave配置文件设置密码

    masterauth <password>

  • slave启动服务器设置密码

redis-server –a <password>

1.4.2 阶段二:数据同步阶段

数据同步阶段工作流程

  1. 请求同步数据
  2. 创建RDB同步数据
  3. 恢复RDB同步数据
  4. 请求部分同步数据
  5. 恢复部分同步数据

Redis数据同步工作流程

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

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

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

1.4.3 阶段三:命令传播阶段

当master数据库状态被修改后,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接收命令后执行命令

  1. 命令传播阶段的部分复制
  • 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

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

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

    • 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

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

1.4.4 数据同步+命令传播阶段工作流程

 Redis数据同步与命令传播

1.5 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

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 10

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

1.6主从复制常见问题

1.6.1 频繁的全量复制(master重启)

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

1.6.2 频繁的全量复制(网络中断)

  • 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

1.6.3 频繁的网络中断

  • 问题现象

    master的CPU占用高或 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

1.6.4 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

1.6.5 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)

2. 哨兵模式

2.1 哨兵简介

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。

  • 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

2.2 启用哨兵模式

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

redis-sentinel sentinel-端口号.conf

2.3 哨兵工作原理