Redis高可用之主从复制、哨兵、集群

落言
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Redis 高可用

什么是高可用

在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务(99.9%、99.99%、99.999%等等)。

高可用的计算公式是1-（宕机时间）/（宕机时间+运行时间）有点类似与网络传输的参数误码率，我们用9的个数表示可用性：

2个9：99%，一年内宕机时长：1%×365天=3.6524天=87.6h

4个9：99.99%，一年内宕机时长：0.01%×365天=52.56min

5个9：99.999%，一年内宕机时长：0.001%*365天=5.265min

11个9：几乎一年宕机时间只有几秒钟

但是在Redis语境中，高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务（如主从分离、快速容灾技术），还需要考虑数据容量的扩展、数据安全不会丢失等。

Redis的高可用技术

在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和cluster集群，下面分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题。

  • 持久化： 持久化是最简单的高可用方法（有时甚至不被归为高可用的手段），主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。

  • 主从复制： 主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。主从复制主要实现了数据的多机备份（和同步），以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。

    • 缺陷：故障恢复无法自动化；写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。

  • 哨兵： 在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。（主挂了，找一个从成为新的主，哨兵节点进行监控）

    • 缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。

  • Cluster集群： 通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。（6台起步，成双成对，3主3从）

持久化技术已在前一篇文章中进行介绍（ Redis 高可用之持久化 - 掘金 (juejin.cn) ），本文将具体主从复制、哨兵、Cluster集群三种高可用技术。

Redis主从复制

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。

默认情况下，每台Redis服务器都是主节点；且一个主节点可以有多个从节点（或没有从节点），但一个从节点只能有一个主节点。

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。

Redis主从架构可以解决单机的读写瓶颈问题，但是没有自动故障转移功能，不能解决master单点故障问题。

主从复制流程

（1）若启动一个slave机器进程,则它会向Master机器发送一个sync command命令，请求同步连接。

（2）无论是第一次连接还是重新连接，Master机器都会启动一个后台进程，将数据快照保存到数据文件中（执行rdb操作），同时Master还会记录修改数据的所有命令并缓存在数据文件中.

（3）后台进程完成缓存操作之后，Master机器就会向slave机器发送数据文件，slave端机器将数据文件保存到硬盘上，然后将其加载到内存中，接着Master机器就会将修改数据的所有操作一并发送给slave端机器。若slave出现故障导致宕机，则恢复正常后会自动重新连接。

（4）Master机器收到slave端机器的连接后，将其完整的数据文件发送给slave端机器，如果Mater同时收到多个slave发来的同步请求，则Master会在后台启动一个进程以保存数据文件，然后将其发送给所有的slave端机器，确保所有的slave端机器都正常。

搭建Redis主从复制

实验环境：

主从虚机IP地址
mastercentos7-1192.168.20.10
slave1centos7-2192.168.20.20
slave2centos7-3192.168.20.30

实验步骤：

所有节点安装Redis

#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
#安装环境依赖包，下载编译工具
yum install -y gcc gcc-c++ make
​
#上传软件包并解压
cd /opt/
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
#开2核编译安装，指定安装路径为/usr/local/redis
make -j2 && make PREFIX=/usr/local/redis install
#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。
​
#执行软件包提供的install_server.sh 脚本文件，设置Redis服务所需要的相关配置文件
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
.......#一直回车
Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server
#这里默认为/usr/local/bin/redis-server，需要手动修改为/usr/local/redis/bin/redis-server，注意要一次性正确输入
​
 ---------------------- 虚线内是注释 ----------------------------------------------------
 Selected config:
 Port: 6379                                      #默认侦听端口为6379
 Config file: /etc/redis/6379.conf               #配置文件路径
 Log file: /var/log/redis_6379.log               #日志文件路径
 Data dir : /var/lib/redis/6379                  #数据文件路径
 Executable: /usr/local/redis/bin/redis-server   #可执行文件路径
 Cli Executable : /usr/local/bin/redis-cli       #客户端命令工具
 -----------------------------------------------------------------------------------
​
#当install_server.sh 脚本运行完毕，Redis 服务就已经启动，默认监听端口为6379
netstat -natp | grep redis
​
#把redis的可执行程序文件放入路径环境变量的目录中，便于系统识别
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
​
#Redis服务控制
/etc/init.d/redis_6379 stop     #停止
/etc/init.d/redis_6379 start    #启动
/etc/init.d/redis_6379 restart  #重启
/etc/init.d/redis_6379 status   #查看状态

image.png

image.png

image.png

image.png

image.png

修改master节点的配置文件

vim /etc/redis/6379.conf 
 bind 0.0.0.0                      #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
 daemonize yes                     #137行，开启守护进程，后台启动 
 logfile /var/log/redis_6379.log   #172行，指定日志文件存放目录
 dir /var/lib/redis/6379           #264行，指定工作目录
 appendonly yes                    #700行，开启AOF持久化功能
​
/etc/init.d/redis_6379 restart     #重启redis服务

image.png

image.png

image.png

image.png

image.png

image.png

修改slave节点的配置文件

修改slave1的配置文件，之后scp传给slave2。

#修改slave1的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf 
 bind 0.0.0.0                        #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
 daemonize yes                       #137行,开启守护进程，后台启动
 logfile /var/log/redis_6379.log     #172行,指定日志文件目录
 dir /var/lib/redis/6379             #264行,指定工作目录
 replicaof 192.168.121.10 6379       #288行,指定要同步的Master节点的IP和端口
 appendonly yes                      #700行,修改为yes，开启AOF持久化功能
​
#将配置文件传给slave2
scp /etc/redis/6379.conf 192.168.121.30:/etc/redis/
​
/etc/init.d/redis_6379 restart  #重启redis
netstat -natp | grep redis      #查看主从服务器是否已建立连接

image.png image.png

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验证主从效果

1）主节点查看日志，并插入一条数据。

 #主节点查看日志
[root@localhost ~]# tail /var/log/redis_6379.log 
....
69216:M 10 Nov 2022 08:47:16.891 * Full resync requested by replica 192.168.20.20:6379
69216:M 10 Nov 2022 08:47:16.891 * Starting BGSAVE for SYNC with target: disk
69216:M 10 Nov 2022 08:47:16.891 * Background saving started by pid 69263
69263:C 10 Nov 2022 08:47:16.892 * DB saved on disk
69263:C 10 Nov 2022 08:47:16.893 * RDB: 4 MB of memory used by copy-on-write
....

#主节点插入数据
[root@localhost ~]# /usr/local/redis/bin/redis-cli 
127.0.0.1:6379> set name can
OK
127.0.0.1:6379> KEYS *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"can"

image.png 2）从节点查看数据是否同步成功。

[root@slave1 ~]# redis-cli     #slave1查看数据同步成功  
127.0.0.1:6379> keys *
1) "can"
127.0.0.1:6379> get name
"yuji"
​
[root@slave1 ~]# /usr/local/redis/bin/redis-cli      #slave2查看数据同步成功  
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"can"

image.png image.png

Redis哨兵模式

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。

哨兵模式的作用

  • 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，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。

哨兵结构

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。

故障转移机制

1、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秒会问主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心检测。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。

2、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。

3、由leader哨兵节点执行故障转移，过程如下：

  • 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。

需要特别注意的是，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

主节点的选举

1.过滤掉不健康的（己下线的），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。

哨兵的启动依赖于主从模式，所以须把主从模式安装好的情况下再去做哨兵模式。

搭建Redis哨兵模式

实验环境：

节点虚机IP地址
mastercentos7-1192.168.121.10
slave1centos7-2192.168.121.20
slave2centos7-3192.168.121.30
Sentinel-1centos7-4192.168.121.40
Sentinel-2centos7-5192.168.121.50
Sentinel-3centos7-6192.168.121.60

生产环境中使用对应数量节点的服务器作为哨兵节点，实验环境中如果电脑性能不够可以把哨兵搭建在原虚机上。

实验步骤：

所有节点安装Redis

参考上文

master和slave部署Redis主从复制

参考上文

修改哨兵节点的配置文件sentinel.conf（所有哨兵节点操作）

修改Sentinel-1的配置文件，之后scp传给另外2个哨兵节点。

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
......
protected-mode no                #17行，取消注释，关闭保护模式
port 26379                       #21行，Redis哨兵默认的监听端口
daemonize yes                    #26行，指定sentinel为后台启动
logfile "/var/log/sentinel.log"  #36行，指定日志文件存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"        #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.121.10 6379 2  #84行，修改
#指定该哨兵节点监控192.168.121.10:6379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 down-after-milliseconds mymaster 30000  #113行，判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒（30秒）
sentinel failover-timeout mymaster 180000  #146行，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）
​
#传给两外2个哨兵节点
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.121.50:/opt/redis-5.0.7/
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.121.60:/opt/redis-5.0.7/

修改哨兵的配置文件，vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf

image.png

image.png

image.png

image.png

image.png

启动哨兵模式（所有哨兵节点操作）

#启动三台哨兵
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &

image.png

image.png

image.png

查看哨兵信息

#在哨兵节点查看
[root@localhost ~]# redis-cli -p 26379 info Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1     #一台主节点
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.121.10:6379,slaves=2,sentinels=3
#可以看到主节点地址，2台从节点，3台哨兵

image.png

模拟故障

#在Master 上查看redis-server进程号:
[root@master ~]# ps -ef | grep redis
root      69216      1  0 08:42 ?        00:00:04 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root      69990  69480  0 09:51 pts/1    00:00:00 grep --color=auto redis

#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
[root@master ~]# kill -9 69216
[root@master ~]# ps -ef | grep redis

image.png

在哨兵上查看主节点是否切换成功： image.png

image.png

Redis 集群模式

集群，即Redis Cluster，是Redis3.0开始引入的分布式存储方案。

集群由多个节点（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。

集群的作用

（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。
  • Redis单机内存大小受限问题，在介绍持久化和主从复制时都有提及；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。

（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。

通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。

Redis集群的数据分片

Redis集群引入了哈希槽的概念。

Redis集群有16384个哈希槽（编号0-16383）。

集群的每个节点负责一部分哈希槽。

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

集群模式的主从复制模型

  • 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位为主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用。

搭建 Redis 集群

实验环境：

6台服务器，3主3从。

节点IP安装redis
master1192.168.20.10redis-5.0.7.tar.gz
slave1192.168.20.50redis-5.0.7.tar.gz
master2192.168.20.20redis-5.0.7.tar.gz
slave2192.168.20.60redis-5.0.7.tar.gz
master3192.168.20.30redis-5.0.7.tar.gz
slave3192.168.20.40redis-5.0.7.tar.gz

实验步骤：

所有节点安装Redis

参考上文

开启集群功能

修改任意一台服务器配置文件，再通过scp命令传给其他主机。

cd /opt/redis-5.0.7/ 
vim redis.conf 
...... 
bind 192.168.121.10                       #69行，修改为监听自己的物理网卡IP 
protected-mode no                         #88行，修改为no，关闭保护模式 
port 6379                                 #92行，redis默认监听端口 
daemonize yes                             #136行，开启守护进程，以独立进程启动
appendonly yes                            #700行，修改为yes，开启AOF持久化
cluster-enabled yes                       #832行，取消注释，开启群集功能 
cluster-config-file nodes-6379.conf       #840行，取消注释，群集名称文件设置 
cluster-node-timeout 15000                #846行，取消注释，群集超时时间设置 ​

#将文件传给另外5个节点，之后每个节点要修改监听地址为自己的IP
[root@master redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.20.20:`pwd`
[root@master redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.20.30:`pwd`
[root@master redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.20.40:`pwd`
[root@master redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.20.50:`pwd`
[root@master redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.20.60:`pwd`

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所有节点启动redis服务

cd /opt/redis-5.0.7/
redis-server redis.conf   #启动redis节点

image.png

启动集群

在任意一个节点启动集群即可。

redis-cli --cluster create 192.168.121.10:6379 192.168.121.20:6379 192.168.121.30:6379 192.168.121.40:6379 192.168.121.50:6379 192.168.121.60:6379 --cluster-replicas 1
#六个主机分为三组，三主三从，前面的做主节点后面的做从节点下免交互的时候需要输入yes才可以创建 "-replicas 1"表示每个主节点有一个从节点
#前三台为Master，后三台为Slave

image.png

总结

三种模式需要注意修改不同的配置文件。

主从复制：vim /etc/redis/6379.conf

哨兵模式：vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf

cluster集群：vim /opt/redis-5.0.7/redis.conf

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