Redis高可用——主从复制、哨兵模式、集群

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一、Redis高可用

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。

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。

• 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。

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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。

1、Redis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。

2、主从复制的流程

（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。

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三、主从复制的搭建

实验准备

master：20.0.0.12
slave1：20.0.0.6
slave2：20.0.0.5

1、所有主机安装Redis

参考上一篇博客 Redis安装部署

2、修改master节点的配置文件(20.0.0.12)

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0	
appendonly yes	

/etc/init.d/redis_6379 restart	


3、修改两个slave节点Redis配置文件

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0
replicaof 20.0.0.12 6379
appendonly yes

/etc/init.d/redis_6379 restart

4、验证主从效果

##在master节点上看日志
tail -f /var/log/redis_6379.log 

##在master创建数据
redis-cli
set name run
get name

##在从节点上查看
redis-cli
get name

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四、Redis哨兵模式

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。

1、哨兵模式的原理

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。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点。

2、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。

3、哨兵模式的结构

• 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。

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。所有节点上都需要部署哨兵模式，哨兵模式会监控所有的 Redis 工作节点是否正常，当 Master 出现问题的时候，因为其他节点与主节点失去联系，因此会投票，投票过半就认为这个 Master 的确出现问题，然后会通知哨兵间，然后从 Slaves 中选取一个作为新的 Master。

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。

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五、搭建Redis哨兵模式

接着上面的主从复制的实验做

1、修改三个哨兵节点的配置文件

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
protected-mode no								
port 26379										
daemonize yes									logfile "/var/log/sentinel.log"					
dir "/var/lib/redis/6379"						
sentinel monitor mymaster 20.0.0.12 6379 2			

2、启动哨兵模式

##启动三台哨兵
##先启master，再启slave
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &

3、故障模拟

##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  进程号	   

redis-cli -p 26379 info Sentinel 

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六、Redis群集模式

• 集群，即Redis Cluster，是Redis 3.0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。

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。
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。

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

3、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。

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七、搭建Redis群集模式

实验准备

master1：20.0.0.12
slave1：20.0.0.5
master2：20.0.0.7
slave2：20.0.0.6
master3：20.0.0.10
slave3：20.0.0.11

6台全部安装redis

1、开启集群功能

cd /opt/redis-5.0.7/
vim redis.conf
......
bind 20.0.0.12                    #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                            #699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 20.0.0.5:`pwd`
scp redis.conf 20.0.0.6:`pwd`
scp redis.conf 20.0.0.7:`pwd`
scp redis.conf 20.0.0.10:`pwd`
scp redis.conf 20.0.0.11:`pwd`

依此类推，总共传给5台服务器；
之后每个节点要修改监听地址为自己的IP地址

cd /opt/redis-5.0.7/
vim redis.conf

2、所有节点启动redis服务

redis-server redis.conf

3、启动集群

##在任意一个节点启动集群即可
redis-cli --cluster create 20.0.0.12:6379 20.0.0.7:6379 20.0.0.10:6379 20.0.0.5:6379 20.0.0.6:6379 20.0.0.11:6379 --cluster-replicas 1
##前三台为master，后三台为slave

4、测试集群

#加-c参数，节点之间就可以互相跳转  
redis-cli -h 20.0.0.12 -p 6379 -c 
#查看节点的哈希槽编号范围
cluster slots    
#赋值
set name run
#查看键的哈希槽编号  
cluster keyslot 键名
​
​
redis-cli -h 20.0.0.12 -p 6379 -c
20.0.0.12:6379> cluster slots      #查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 10923         #第一对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 16383
   3) 1) "20.0.0.10"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "5f128a6e204d1d6f6dc924ad8b39034a8e9f3261"
   4) 1) "20.0.0.11"     #从节点
      2) (integer) 6379
      3) "4a05a086eec06fa4da58b15512d1c81184bc5ee5"
2) 1) (integer) 5461          #第二对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 10922
   3) 1) "20.0.0.7"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "3008bba29dfbf342bc448ba3062b0a331c8d009e"
   4) 1) "20.0.0.6"     #从节点
      2) (integer) 6379
      3) "ee61a4709d6420bb540b2c28218fdd2dfe358b7a"
3) 1) (integer) 0             #第三对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 5460
   3) 1) "20.0.0.12"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "d1ddb554b3edaebefa6672b2f1f8171393e1f7f3"
   4) 1) "20.0.0.5"     #从节点 
      2) (integer) 6379
      3) "71e1f705ce01ca31ab16fa3cf07d7e6cbfab5978"
20.0.0.12:6379>
​
​
#在12节点新建name键，会自动跳转到7节点进行存放     
20.0.0.12:6379> set name run
-> Redirected to slot [5798] located at 20.0.0.7:6379
OK
20.0.0.7:6379> cluster keyslot name    #查看name键的哈希槽编号
(integer) 5798
20.0.0.7:6379> quit       #退出数据库
[[email protected] ~]# redis-cli -h 20.0.0.12 -p 6379 -c     #重新登录10节点
20.0.0.12:6379> keys *     #12节点中没有name键
(empty list or set)
20.0.0.12:6379> get name    #查看name键的值，会根据键的哈希槽编号自动跳转到7节点进行获取
-> Redirected to slot [5798] located at 20.0.0.7:6379
"run"
20.0.0.7:6379>            #已跳转到7节点