构建高可用的Redis服务(主从复制/哨兵/集群底层原理)

高可用的Redis服务

高可用：常见于分布式系统，指通过系统设计使能够提供服务的时间达到较高值。

若系统能一直运行，则可用性为100%。

Redis为了高可用，提供了三种保障机制。

一、主从复制

在Redis中，可以通过slaveof命令让一个Redis服务复制另一个Redis服务，我们称呼被复制的服务器为"主服务器"，对主服务器进行复制的称为"从服务器"。

复制分为两部分：同步与命令传播。

• 同步：将从服务器的状态更新至主服务器的状态，即拥有相同数据。
• 命令传播：当客户端命令使主服务器状态改变时，主服务器向从服务器发送对应命令，更新从服务器的数据。

心跳检测：命令传播阶段，从服务器每秒一次向主服务器发送特定的命令，检测当前网络连接状态以及命令是否丢失等。

1、主从复制的底层原理

I. 完整同步

完整同步用来处理初次将主服务器数据同步到从服务器中，步骤如下：

1. 从服务器向主服务器发送sync命令请求同步数据。
2. 主服务器收到sync后执行bgsave，生成RDB文件，同时将生成文件期间收到的写命令存入一个缓冲区中。
3. 主服务器将RDB文件发送至从服务器，从服务器接收后进行数据载入。
4. 主服务器将缓冲区中的命令发送给从服务器，从服务器接收后进行数据写入。

至此，完整同步部分就完成了。此后，主服务器通过命令传播实时更新从服务器的状态。

---

II. 部分同步

部分同步用于从服务器断线后重新复制数据的情况。

• 对于Redis 2.8之前的版本，从服务器会重新进行一次完整同步，但是这样的缺点就是效率太低，而且从服务器本地还存有大部分的持久化的数据，只因为部分数据的丢失而进行完整同步是没有必要的。
• 对于Redis 2.8之后的版本，Redis重写了同步函数，用psync代替sync，解决了之前版本部分重同步低效的问题。

psync实现原理

1. 复制偏移量

   主从服务器各自维护一个复制偏移量：主服务器发送N字节数据时，就将自己的复制偏移量加N；从服务器收到N字节数据时，就将自己的复制偏移量加N。

   如果发生断线，则从服务器只需要复制自身偏移量之后的数据即可。

2. 复制积压缓冲区

   复制积压缓冲区是主服务器维护的一个FIFO队列，默认大小为1MB，队列中保存着命令和对应的偏移量。

   • 如果从服务器请求的偏移量之后的数据还在队列，则主服务器利用这部分数据执行从服务器的部分重同步。
   • 如果从服务器请求的偏移量之后的数据不在队列，则主服务器直接执行从服务器的完整同步。

3. 服务器运行ID

   Redis服务器在启动时自动生成40个十六进制字符组成的随机运行ID。

   从服务器在初次复制主服务器时，会将主服务器的运行ID保存下来。

   • 当从服务器断线重连时，发现此时的主服务器依然是上一次的主服务器，则执行部分同步。
   • 当从服务器断线重连时，发现此时的主服务器不再是上一次的主服务器，则执行完整同步。

2、主从复制的优缺点

优点：

1. 能够实现读写分离，主服务器用于写，其它从服务器用来读，从而提高性能。
2. 数据更加安全：做了数据冗余，不会因为某一台服务器宕机而丢失全部数据。

缺点：

1. 同步操作在系统繁忙时会有相当大的延迟，从而导致数据不一致的情况。
2. 无法降低主服务器的写压力。

二、哨兵

哨兵(Sentinel)是一个分布式架构，包含一个或多个哨兵实例，可以监视任意多个主服务器，以及这些主服务器属下的所有从服务器。

哨兵实例本质上是利用redis-centinel+配置文件启动的特殊类型Redis服务器，不存储数据，只支持部分Redis命令。不同哨兵之间可以进行信息交互。

1、工作模式

1. 每个哨兵以每秒一次的频率向主、从服务器发送PING命令，通过回复来判断对应服务器是否在线。「监控」

   若距离上一次收到有效响应的时间超出配置文件中的down-after-milliseconds ，则哨兵可以主观判定该服务器下线。

   注：PING的有效回复包括"+PONG"、“-LOADING”、“-MASTERDOWN”

2. 当一个哨兵主观判定某个主服务器下线后，它会向同样监视该主服务器的其它哨兵询问，看它们是否也主观认为该服务器下线。

   如果接收到一定数量的"已下线"判断，Sentinel就会将该主服务器判定为**“客观下线”，这样做可以尽可能防止误判**。

   注：具体需要多少个"已下线"判断由每个哨兵的配置文件决定，该数量被保存在哨兵实例的quorum成员变量中。

3. 从监视该下线主服务器的哨兵中选出一个领头哨兵，由领头哨兵选出优先级最高的从服务器，让它作为新的主服务器。若优先级相同，则选出运行ID最小的，即创建时间最早的。「故障转移」

   注：服务器优先级可以通过配置文件中的replica-priority设置，值越小，优先级越高。

4. 如果原先的主服务器重新上线，那么它会成为现在这个新主服务器的从服务器。

2、哨兵的优缺点

优点：

1. 继承了主从复制的所有优点，可以做到读写分离、保障数据不会大量丢失。
2. 自动进行故障转移，用户友好。

缺点：

1. 配置麻烦。
2. 故障转移时可能导致服务较长时间不可用。

三、集群

集群(Cluster)：通过分片来进行数据共享，提供复制和故障转移功能。

一个集群通常由多个节点组成，每个节点相互独立，节点内有一个主机和多个从机。

注：启动集群节点客户端需要-c选项，如redis-cli -c -p xxxx

1、集群的配置

1. 启动节点

   集群的每个节点都是一个Redis服务器，启动该服务器前需要将配置文件的cluster-enabled选项置为yes。

2. 连接节点

   集群的每个节点都是一个clusterNode结构，节点之间通过CLUSTER MEET ip:port命令进行连接。以节点A连接节点B为例：

   • 节点A创建并维护一个节点B的clusterNode结构，同时向节点B发送一个MEET消息。
   • 节点B收到消息后创建并维护一个节点A的clusterNode结构，同时向节点A发送一个PONG消息。
   • 节点A向节点B发送PING消息，完成==“三次握手”==。
   • 最后，通过相同的方式，将节点B与节点A所在集群的其它节点建立连接。

3. 指派槽位(分片)

   集群的整个数据库被分为16384个槽(slot)，而用户需要在指定客户端下通过CLUSTER ADDSLOTS slot [slot1 slot2 ...]进行槽的分配，例如：使用CLUSTER ADDSLOTS 0 1 2 3 ... 5000将槽0~5000分配给客户端连接的那个节点服务器。每个节点负责了哪些槽最终都会被同步到集群的各个节点中，存储在每个节点的clusterNode *slots[16384]数组中。

   插入到数据库中的键通过CRC校验和计算一个0~16383之间数，从而确定它的槽，计算公式为slot=CRC16(key)&16383。

   • 如果键所在的槽由当前节点负责，那么当前节点直接执行该命令。
   • 如果键所在的槽由其他节点负责，那么当前节点通过slots数组迅速定位到负责该槽的节点，并向客户端返回MOVED错误，客户端收到后会自动将命令转交给对方。

4. 复制与故障转移

   集群中的节点可以通过CLUSTER REPLICATE <节点运行时id>将当前节点设置为id对应节点的从节点，实现主从复制。

   集群中的每个节点都扮演了哨兵的角色。当某个节点疑似下线时，它们通过投票的方式判断该节点是否客观下线，如果是，则进行故障转移，选取新的从机作为节点的主机。

2、集群的优缺点

优点：

1. 集群缓解了单主机模式下的写压力。
2. 数据可以存储在不同的节点，缓解了海量数据存储的压力。

缺点：

1. 不支持多键值插入，除非保证它们映射在同一节点的槽中。
2. 数据通过异步复制，不保证数据的强一致性。