004：主从复制+哨兵模式+集群

一、 主从复制

互联网“三高”架构

• 高并发
• 高性能
• 高可用
  

你的"Redis"是否高可用

单机redise风险与问题

• 问题1 机器故障
  现象：硬件故障、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，无线升级内存
  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，链接在一起，并保证数据是否同步的，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。

多台服务器链接方案

• 提供多数据方：master
  主服务器，主节点，主库
  主客户端
• 接受数据方：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

主从复制即将master中的数据即时，有效的复制到slace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:
  写数据
  执行写操作时，将出现变化的数据自动同步到slave
  读数据（可忽略）
• slave:
  读数据
  写数据（禁止）

高可用集群

主从复制的作用

• 读写分离：master写，slave读，提高服务器的读写负载能力
• 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
• 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
• 数据冗余：实现数据热备份，时持久化之外的一种数据冗余方式
• 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

主从复制工作流程

总述

• 主从复制过程大体可以分为3个阶段
  建立连接阶段（即准备阶段）
  数据同步阶段
  命令传播阶段
  
  阶段一：建立链接
• 建立slave到master的链接，使master能够识别slave，并保存slave端口号

1. 设置master的地址和端口，保存master信息
2. 建立socket链接
3. 发送ping命令（定时器任务）
4. 身份验证
5. 发送slave端口信息
   至此，主从链接成功！
   状态：
   slave：保存master的地址和端口
   master：保存slave的端口
   总体：之间创建了链接的socket
   

主从链接(slave链接master)

• 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 < masterip>< masterport>

• slave信息系统
  master_link_down_since_second
  masterhost
  masterport
• master信息系统
  slave_listening_port(多个)

主从断开链接

• 客户端发送命令

> slaveof no one

授权访问

阶段二、数据同步阶段工作流程

• 在slave初次链接master后，复制master中的所偶数据到slave
• 将slave的数据库状态更新成master当前数据库状态

步骤1：请求同步
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

数据同步阶段master说明

1. 如果master数据量巨大，数据同步阶段应该避免流量高峰期，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，进行部分赋值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,修改缓冲区大小操作如下

> repl-backlog-size lmb

1. 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

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

> slave-server-stale-data yes|no

1. 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
2. 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宽带不足，因此数据同步需要根据业务需求，适量错峰。
3. 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，中间接待你即是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

阶段三：命令传播阶段

• 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，同步的动作成为命令传播
• master将接受到的数据变更命令发送给slave，slave接受命令后执行命令。

命令传播阶段的部分复制

• 命令传播阶段出现了断网的现象
  网络闪断闪连 忽略
  短时间网络中断 部分复制
  长时间网络中断 全量复制
• 部分复制的三个要素
  服务器的运行id (run id)
  

主服务器的复制积压缓冲区
主从服务器的复制偏移量

复制缓冲区

• 概念：复制缓冲区，又名复制积压缓冲区，时一个先进先出（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
• 由来：每台服务器启动时，如果开启有AOF或被链接成为master节点，即创建复制缓冲区。
• 作用：用来保存master收到的所有指令（仅影响数据变更的指令，例如set,select）
• 数据来源：
  master端：发送一次记录一次
  slaver端：接受一次记录一次
• 组成
  偏移量
  字节值
• 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offser
   

主从服务器复制偏移量（offset）

• 概念：一个数字，描述复制缓冲区中的指令字节位置
• 分类：
  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）
  slave复制偏移量：记录slave接受master发送过来的指令字节对应的位置（一个）
• 数据来源：
  master端：发送一次记录一次
  slave端：接收一次记录一次
• 作用：同步信息，对比master与slave的差异，当slave断线后，恢复数据使用

数据同步+命令传播阶段工作流程

心跳机制

• 进入命令传播阶段后，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
  指令：PING
  周期：由repl-ping-slave-period决定，默认10秒
  作用：判断slave是否在线
  查询： INFO replication 获取slave最后一次链接时间间隔,lag项维持在0或1视为正常
• slave心跳指令
  指令：REPLCONF ACK{offset}
  周期：1秒
  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
  作用2：判断master是否在线
  心跳阶段注意事项
• 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

> min-slave-to-write 2
> min-slave-max-lag 8

slave数量少于2个或者多有slave延迟都大于等于10秒时，强制关闭master写功能，停止数据同步

• slave数量由slave发送REPLCONF ACK命令做确认
• slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做queen

主从复制常见问题

频繁的全量复制（1）
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salve的全量复制操作

频繁的全量复制（2）

• 问题现象
  网络环境不加，出现网络中断，slave不提供服务
• 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
• 最终结果
  slave反复进行全量复制
• 解决方案
  修改复制缓冲区大小

> repl-backlog-size

• 建议设置如下
  测算从master到slave的重连平均时常

频繁的网络中断（1）

• 问题现象
  master的CPU占用过高或slave频繁断开连接
• 问题原因
  slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
  当slave连接了慢查询时（keys * , hgetall等），会大量占用CPU性能
  master每1秒调用复制定时函数replicationCron（），对比slave发现长时间没有进行响应
• 最终结果
  master各种资源（输出缓冲区、宽带、连接等）被严重占用
• 解决方案
  通过设置合理的超时时间，确认是否释放slave

> repl-timeout

该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave
频繁的网络中断（2）

• 问题现象
  slave与master连接断开
• 问题原因
  master发送ping指令频度较低
  master设定超时时间较短
  ping指令在网络中存在丢包
• 解决方案
  提高ping指令发送的频度

> repl-ping-slave-period

超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5-10倍，否则slave很容易判定超时

数据不一致

• 问题现象
  多个slave获取相同数据不同步
• 问题原因
  网络信息不同步，数据发送有延迟
• 解决方案
  优化主从间的网络环境，通常防止在同一个机房部署，如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
  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

> slave-server-stale-data yes|no

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）

二、哨兵

主机”宕机“后我们要做的事情

• 将宕机的master下线
• 找一个slave作为master
• 通知所有的slave连接新的master
• 启动新的master与slave
• 全量复制*N+部分复制 *N

但是这伴随着以下问题

• 谁来确认master宕机了
• 找一个主？怎么找法
• 修改配置后，原始的主恢复了怎么办？

哨兵

哨兵（sentinel) 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

哨兵的作用

• 监控
  不断地检查master和slave是否正常运行
  master存活检测、master与slave运行情况检测
• 通知（提醒）
  当被监控地服务器出现问题时，向其他（哨兵间，客户端）发送通知
• 自动故障转移
  断开master与slave连接，选取一个slave作为master,将其他slave连接到新的master，并告知客户端新的服务器地址

注意：哨兵也是一台redis服务器，只是不提供数据服务，通常哨兵配置数量为单数

启用哨兵模式

• 配置一拖二地主从结构
• 配置三个哨兵（配置相同，端口不同）
  查看sentinel.conf
• 启动哨兵

> redis-sentinel sentinel-端口号.conf

哨兵工作原理

主从切换

• 哨兵在进行主从切换过程中经历三个阶段

1. 监控
2. 通知
3. 故障转移

阶段一：监控阶段

阶段二：通知阶段

阶段三：故障转移阶段

选择领头哨兵

处置阶段

总结：

• 监控 ——》同步信息
• 通知——》保持联通
• 故障转移
  发现问题-》竞选负责人-》优选新master-》新master上任，其他slave切换master,原master作为slave故障回复后连接

三、集群

现状问题

业务发展过程中遇到的峰值瓶颈

• redis提供的服务OPS可以达到10万/秒，当前业务OPS已经达到20万/秒
• 内存单机容量达到256G,当前业务需求内存容量1T
• 使用集群的方式可以快速解决上述问题

集群架构

• 集群就是使用网络将若干台计算机联通起来，并提供统一的管理方式，使其对外呈现单机的服务效果。

集群的作用

• 分散单台服务器的访问压力，实现负载均衡
• 分散单台服务器的存储压力，实现可扩展性
• 降低单台服务器宕机带来的业务灾难
  

Redis集群结构设计

数据存储设计

• 通过算法设计，计算出key 应该保存的位置
• 将所有的存储空间计划切割成16384份，每台主机保存一部分
  每份代表的使一个存储空间，不是一个key的保存空间
• 将key按照计算出的结果放到对应的存储空间
  
  集群内部通讯设计
• 各个数据库相互通信，保存各个库中曹的编号数据
• 一次命中，直接返回
• 一次未命中，告知具体位置，最多两次才命中

Cluster配置

• 设置加入cluster，成为其中的节点

> cluster-enabled yes|no

• cluster配置文件名，该文件属于自动生成，仅用于快速查找文件并查询文件内容

> cluster-config-file < filename>

• 节点服务响应超时时间，用于判定该节点是否下线或切换为从节点

> cluster-node-timeout < milliseconds>

• master连接的slave最小数量

> cluster-migration-barrier < count>

Cluster节点操作命令

• 查看集群节点信息

> cluster nodes

• 进入一个从节点redis，切换其主节点

> cluster replication < master-id>

• 发现一个新节点，新增主节点

> cluster meet ip:port

• 忽略一个没有solt的节点

> cluster forget

• 手动故障转移

> cluster failover