Redis之主从复制

1.互联网“三高”架构

1.高性能
2.高可用
3.高并发

2.高可用

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。

3.主从复制介绍

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

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
职责：
master:
1.写数据
2.执行写操作时，将出现变化的数据自动同步到slave
3.读数据（可忽略）
slave:
1.读数据
2.写数据（禁止）

4.高可用集群

5.主从复制作用

主从复制作用
1.读写分离：master写、slave读，提高服务器的读写负载能力
2.负载均衡：基于主从结构，配合读写分离，由slave分担master负载，并根据需求的变化，改变slave的数量，通过多个从节点分担数据读取负载，大大提高Redis服务器并发量与数据吞吐量
3.故障恢复：当master出现问题时，由slave提供服务，实现快速的故障恢复
4.数据冗余：实现数据热备份，是持久化之外的一种数据冗余方式
5.高可用基石：基于主从复制，构建哨兵模式与集群，实现Redis的高可用方案

6.主从复制工作流程

主从复制过程大体可以分为3个阶段:
1.建立连接阶段（即准备阶段）:
建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号
2.数据同步阶段
3.命令传播阶段

7.阶段一建立连接阶段

7.1建立连接流程

建立连接阶段工作流程
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
至此，主从连接成功！

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

slave系统信息
1.master_link_down_since_seconds
2.masterhost
3.masterport
master系统信息
1.slave_listening_port(多个)

7.2建立连接方式

方式一：客户端发送命令

slaveof <masterip> <masterport>

方式二：启动服务器参数

redis-server -slaveof <masterip> <masterport>

方式三：服务器配置:
slaveof

7.3授权访问

如果master设置有密码的话，可以在配置文件中修改以下参数:
masterauth

7.4断开连接

客户端发送命令:
注：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

slaveof no one

8.演示(阶段一建立连接阶段)

打开四个窗口，6379服务器用于启动主机看日志、6380服务器用于启动从机看日志、master用于客户端操作、salve用于客户端操作

6379服务器:
首先需要修改两个配置文件，使redis前台启动，日志不再打印到日志文件里面，而是打印到控制台；把守护进程给关掉，也要把日志文件给关掉

连接方式一

6379服务器、6380服务器
启动6379端口的redis、启动6380端口的redis

salve 、6379服务器、6380服务器:
6380作为slave，连接6379。6379服务器、6380服务器有日志打印

master、slave：
master 给set了一个值，slave可以get到

连接方式二

6380服务器：
先ctrl +C关闭6380服务器，然后6380服务器启定的时候带上slave连接

master、slave：

连接方式三

ctrl+c关闭6380服务器

6380服务器：
修改6380配置文件

6380服务器：
启动6380端口的redis

查看状态信息

master：

salve：

9.阶段二数据同步阶段

9.1数据同步流程

在slave初次连接master后，复制master中的所有数据到slave,将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态。
数据同步阶段工作流程
步骤1：请求同步数据
步骤2：创建RDB同步数据
步骤3：恢复RDB同步数据
步骤4：请求部分同步数据
步骤5：恢复部分同步数据
至此，数据同步工作完成！

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

9.2数据同步master说明

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,参数：
repl-backlog-size 1mb （1mb是1兆）
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

9.3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，参数：
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

10.阶段三命令传播阶段

10.1命令传播流程

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

10.2命令传播阶段的部分复制

命令传播阶段出现了断网现象:
1.网络闪断闪连,解决办法是“忽略即可”
2.短时间网络中断，解决办法是“部分复制”
3.长时间网络中断，解决办法是“全量复制”

部分复制的三个核心要素
1.服务器的运行 id（run id）
2.主服务器的复制积压缓冲区
3.主从服务器的复制偏移量

10.3服务器的运行id

1.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
2.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
3.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
4.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
注：通过info Server命令，可以查看自己的runid

info Server

master:

slave:

10.4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

10.5复制缓冲工作原理

1.组成：
1)偏移量
2)字节值
2.工作原理：
1)通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
2)master记录已发送的信息对应的offset
3)slave记录已接收的信息对应的offset
3.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
3.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
4.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）
5.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
注：\r \n是回车、换行的意思

10.6偏移量offset

1.概念：一个数字，描述复制缓冲区中的指令字节位置
2.分类：
1)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）
2)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）
3.数据来源：
1)master端：发送一次记录一次
2)slave端：接收一次记录一次
4.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

11.数据同步+命令传播阶段工作流程

12.心跳机制

12.1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心跳任务：
1.指令：PING
2.周期：由repl-ping-slave-period决定，默认10秒
3.作用：判断slave是否在线
4.查询： 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

INFO replication

slave心跳任务
1.指令：REPLCONF ACK {offset}
2.周期：1秒
3.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
4.作用2：判断master是否在线

master：

12.2心跳阶段注意事项

1.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，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，参数如下：
min-slaves-to-write 2
min-slaves-max-lag 8
2.slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
3.slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

13.主从复制完整工作流程

14.主从复制常见问题

14.1频繁全量复制

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,即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，通过info命令可以查看该信息
master_repl_id = repl master_repl_offset = repl-offset
3.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

redis-check-rdb

master:

14.2频繁全量复制

1.问题现象:
1)网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务
2.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
3.最终结果:
slave反复进行全量复制
4.解决方案:
修改复制缓冲区大小，参数如下：
repl-backlog-size
5.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

14.3网络中断

1.问题现象:
master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
2.问题原因:
1)slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
2)当slave接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能
3)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
3.最终结果:
master各种资源（输出缓冲区、带宽、连接等）被严重占用
4.解决方案:
1)通过设置合理的超时时间，确认是否释放slave,该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave,参数如下：
repl-timeout

14.4网络中断

1.问题现象:
slave与master连接断开
2.问题原因:
1)master发送ping指令频度较低
2)master设定超时时间较短
3)ping指令在网络中存在丢包
3.解决方案:
提高ping指令发送的频度,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,参数如下：
repl-ping-slave-period

14.5数据不一致

1.问题现象:
多个slave获取相同数据不同步
2.问题原因:
网络信息不同步，数据发送有延迟
3.解决方案:
1)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
2)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
3)slave-serve-stale-data yes|no
slave-serve-stale-data参数设置成yes，主从复制中，从服务器可以响应客户端请求,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）；
slave-serve-stale-data参数设置成no，主从复制中，从服务器将阻塞所有请求，有客户端请求时返回“SYNC with master in progress”；