Redis高可用之主从复制、哨兵、cluster集群

Redis高可用之主从复制、哨兵、cluster集群

一、Redis高可用

1.1 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)。
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。

1.2 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。
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• 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。
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• 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。

二、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。

2.1 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。
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2.2 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。

三、搭档Redis主从复制

实验环境：

• master：192.168.44.20
• slave1：192.168.44.30
• slave2：192.168.44.40

3.1 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

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3.2 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

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3.3 修改slave节点的配置文件

#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 192.168.44.20 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 192.168.44.40:/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


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3.4 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
tail /var/log/redis_6379.log 
......
8668:M 10 Nov 2022 19:35:25.232 * Synchronization with replica 192.168.44.40:6379 succeeded
......
8668:M 10 Nov 2022 19:35:26.140 * Synchronization with replica 192.168.44.30:6379 succeeded
​
#主节点插入一条数据
redis-cli
127.0.0.1:6379> set name ysj
OK
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"ysj"


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2）从节点查看数据是否同步成功。

redis-cli     #slave1查看数据同步成功  
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"ysj"
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
"ysj"

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四、redis哨兵模式

• 优点：能够实现主从复制架构中的主节点的自动故障转移
• 缺陷：写操作无法负载均衡，存储能力受到单机限制，从节点无法自动故障转移

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。

4.1 哨兵模式的作用

• 监控：哨兵会不断的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作，它会将失效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

4.2 哨兵结构组成（哨兵节点、数据节点）

• 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

4.3 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：

1、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；
2、若原主节点恢复也变成从节点，并指向新的主节点；
3、通知客户端主节点已经更换。
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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

4.4 工作流程

1. 每个哨兵节点会定期的给主从节点和其它哨兵节点发送心跳消息（ping），如果主节点在超时时间内****没有回复或回复错误消息，那么哨兵节点会认为该主节点为主观下线，当到达一定数量的哨兵节点认为该主节点主观下线了，则改主节点为客观下线
2. 哨兵节点会通过算法选举一个leader来负责主节点的故障转移和通知
3. leader会根据从节点的优先级设置或者偏移量挑选出一个从节点为新的主节点，并让其它从节点指向新的主节点做主从复制，若原来的主节点恢复了会变成从节点指向新的主节点

4.5 主节点的选举：

1. 过滤掉不健康的（已下线的），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，也就是复制最完美的从节点。

五、搭建redis哨兵模式

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
实验环境：

master节点：192.168.44.20
slave1节点：192.168.44.30
slave2节点：192.168.44.40
先所有节点安装redis，在搭建redis主从复制

5.1 修改redis哨兵模式的配置文件（所有节点操作）

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，修改为yes，指定sentinel为后台启动
logfile "/var/log/sentinel.log"         #36行，指定日志存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"          #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.44.20 6379 2 #84行，修改
#指定该哨兵节点监控192.168.44.20:6379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 3000  #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  192.168.44.30:/opt/redis-5.0.7/
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.44.40:/opt/redis-5.0.7/
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5.2 启动哨兵模式（所有哨兵节点操作）

#先启动master，再启动slave
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &
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5.3 查看哨兵信息

#在哨兵节点查看
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=192.168.44.20:6379,slaves=2,sentinels=3

#可以看到主节点地址，2台从节点，3台哨兵
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5.4 模拟故障

#在Master 上查看redis-server进程号:
 ps -ef | grep redis
 
#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
 kill -9 8912      #Master节点上redis-server的进程号
 netstat -natp | grep redis

#在哨兵上查看日志，验证master是否切换至从服务器
 tail -f /var/log/sentinel.log


#在哨兵上查看主节点是否切换成功
redis-cli -p 26379 info Sentinel
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六、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。

6.1 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。

（1）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。

（2）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。

6.2 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node1包含0~5460号哈希槽
节点node2包含5461~10922号哈希槽
节点node3包含10923~16383号哈希槽

redis 集群的主从复制模型

• 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。

七、 搭建Redis集群

1. 所有节点安装redis
2. 开启群集功能
   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
 scp redis.conf 192.168.44.30:`pwd`
 scp redis.conf 192.168.44.40:`pwd`
 scp redis.conf 192.168.44.50:`pwd`
 scp redis.conf 192.168.44.60:`pwd`
 scp redis.conf 192.168.44.70:`pwd`


#之后每个节点要修改监听地址为自己的IP：
bind 192.168.44.30        #69行
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3. 所有节点启动redis服务

cd /opt/redis-5.0.7/
redis-server redis.conf   #启动redis节点
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4. 启动集群
   在任意一个节点启动集群即可。

redis-cli --cluster create 192.168.44.200:6379 192.168.44.30:6379 192.168.44.40:6379 192.168.44.50:6379 192.168.44.60:6379 192.168.44.70:6379 --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

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5. 测试集群

#加-c参数，节点之间就可以互相跳转  
redis-cli -h 192.168.44.20 -p 6379 -c 
#查看节点的哈希槽编号范围
cluster slots    
#赋值
set name ysj
#查看键的哈希槽编号  
cluster keyslot 键名


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