Redis中主从复制、哨兵、集群的用例及分析

一、Redis 主从复制

1. 主从复制的概述

主从复制，是指将一台服务器的数据，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，但一个从节点只能有一个主节点。【相关推荐：Redis视频教程】

2. 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；有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。

3. 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Master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。

4. 搭建Redis主从复制

4.1 服务器IP配置

4.2 各服务器防火墙环境

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0

4.3 各服务器安装Redis

redis 安装详见往期博客：
NoSQL 之 redis 详解

传入安装包到/opt目录
yum install -y gcc gcc-c++ make
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
make
make PREFIX=/usr/local/redis install
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
......
Please select the redis executable path []
#输入/uar/local/redis/bin/redis-server
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/

4.4 修改Redis配置文件（Master节点操作）

Master：192.168.122.10

[root@master ~]# vim /etc/redis/6379.conf
 
##70行，修改监听地址为0.0.0.0，表示监听任何地址
bind 0.0.0.0
##137行，开启守护进程
daemonize yes
##172行，指定日志文件目录
logfile /var/log/redis_6379.log
##264行，指定工作日志
dir /var/lib/redis/6379
##700行，开启AOF持久化功能
appendonly yes

4.5 修改Redis配置文件（Slave节点操作）

Slave1：192.168.122.11

[root@slave1 utils]# vim /etc/redis/6379.conf 
 
##70行，修改监听地址为0.0.0.0，表示监听任何地址
bind 0.0.0.0
##137行，开启守护进程
daemonize yes
##172行，指定日志文件目录
logfile /var/log/redis_6379.log
##264行，指定工作日志
dir /var/lib/redis/6379
##288行，添加要同步的Master节点IP和端口
replicaof 192.168.122.10 6379
##700行，开启AOF持久化功能
appendonly yes
 
[root@slave1 utils]# /etc/init.d/redis_6379 restart
Stopping ...
Redis stopped
Starting Redis server...

Slave2：192.168.122.12

[root@slave2 utils]# vim /etc/redis/6379.conf 
 
##70行，修改监听地址为0.0.0.0，表示监听任何地址
bind 0.0.0.0
##137行，开启守护进程
daemonize yes
##172行，指定日志文件目录
logfile /var/log/redis_6379.log
##264行，指定工作日志
dir /var/lib/redis/6379
##288行，添加要同步的Master节点IP和端口
replicaof 192.168.122.10 6379
##700行，开启AOF持久化功能
appendonly yes
 
[root@slave2 utils]# /etc/init.d/redis_6379 restart
Stopping ...
Redis stopped
Starting Redis server...

4.6 验证主从效果

4.6.1 在Master节点上看日志

[root@master ~]# tail -f /var/log/redis_6379.log 
1002:M 23 Sep 2021 16:46:33.569 * Background saving terminated with success
1002:M 23 Sep 2021 16:46:33.569 * Synchronization with replica 192.168.122.11:6379 succeeded
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.519 * Replica 192.168.122.12:6379 asks for synchronization
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.519 * Full resync requested by replica 192.168.122.12:6379
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.519 * Starting BGSAVE for SYNC with target: disk
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.519 * Background saving started by pid 7941
7941:C 23 Sep 2021 16:46:34.521 * DB saved on disk
7941:C 23 Sep 2021 16:46:34.521 * RDB: 0 MB of memory used by copy-on-write
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.591 * Background saving terminated with success
1002:M 23 Sep 2021 16:46:34.591 * Synchronization with replica 192.168.122.12:6379 succeeded

4.6.2 在Master节点验证从节点

[root@master ~]# redis-cli info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.122.11,port=6379,state=online,offset=910,lag=0
slave1:ip=192.168.122.12,port=6379,state=online,offset=910,lag=0
master_replid:9d7fa17fc64cd573f5b81457183831d97dfad7dc
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:910
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:910

二、Redis 哨兵模式

1. 哨兵模式的核心功能

在主从复制的基础上，哨兵引入了主节点的自动故障转移。

2. 哨兵模式的原理

哨兵（sentinel）是一个分布式系统，用于对主从结构中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。

3. 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作，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其他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. 哨兵模式的结构

哨兵结构由两部分组成，哨兵节点和数据节点：
● 哨兵节点：哨兵系统由一个或多个节点组成，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。

5. 哨兵模式的工作形式

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，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，投票过半就会认为这个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。

6. 故障转移机制

• 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秒会向主节点、从节点及其他哨兵节点发送一次ping命令做一次心跳检测。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。

• 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。所以哨兵集群的主机数量不得少于三个节点。

• 由leader哨兵节点执行故障转移，过程如下：
  ● 将某一个从节点升级为新的主节点，让其他从节点指向新的主节点；
  ● 若原主节点恢复也变成从节点，并指向新的主节点；
  ● 通知客户端主节点已经更换。
  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。

7. 主节点的选举

• 过滤掉不健康的（已下线的），没有回复哨兵ping响应的从节点。

• 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）。

• 选择复制偏移量最大，也就是复制最完整的从节点。

8. 搭建Redis哨兵模式

8.1 服务器IP配置

8.2 各服务器防火墙环境

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0

8.3 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
 
##17行，取消注释，关闭保护模式
protected-mode no
##21行，Redis哨兵默认的监听端口
port 26379
##26行，指定sentienel为后台启动
daemonize yes
##36行，指定日志存放路径
logfile "/var/log/sentinel.log"
##65行，指定数据库存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"
##84行，修改，指定该哨兵节点监控192.168.122.10 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，才能判定故障并进行故障转移
sentinel monitor mymaster 192.168.122.10 6379 2
##113行，判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒（30秒）
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000
##146行，故障节点的最大超时时间为180000毫秒（180秒）
sentinel failover-timeout mymaster 180000

8.4 启动哨兵模式

注意：需先启动master，再启动slave

cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &

8.5 查看哨兵信息

Master：192.168.122.10

[root@master redis-5.0.7]# redis-cli -p 26379 info sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.122.10:6379,slaves=2,sentinels=3

三、Redis 群集模式

1. Redis集群的概述

集群，即Redis Cluster，是Redis 3.0开始引入的分布式存储方案。

2. Redis集群

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。

3. Redis集群的作用

集群的作用，可以归纳为两点：

3.1 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度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体积；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。

3.2 高可用

集群支持主从复制和主节点的自动故障转换（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。

4. 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，去找到所对应的节点，然后直接跳转到这个对应的节点上进行存取操作。

5. 哈希槽

5.1 哈希槽的分配

• 哈希槽可按照集群主机数平均分配（默认分配）
  以3个节点组成的集群为例：
  节点A包含0-5460号哈希槽
  节点B包含5461-10922号哈希槽
  节点C包含10923-16383号哈希槽

• 也可以根据主机的性能以及功能自定义分配
  以3个节点组成的集群为例：
  节点A性能最差，包含0-2000号哈希值
  节点B性能中等，包含2001-7000号哈希值
  节点C性能最强，包含7001-16383号哈希值

5.2 哈希槽的使用

集群搭建的时候，需要给集群的节点分配插槽，0~16383
在node1执行set a a

• 使用crc16算法对key进行计算，得到一个数字，然后对这个数字进行求余16384(crc16 : a = 26384l;26384 % 16384 = 10000)

• 查找包含10000的插槽的节点，找到了node2，自动跳转到node2

• 在node2上执行set a a命令

node3上执行get a

• a --> 10000

• 跳转到node2

• 在node2执行get a

6. 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。
以每个节点添加一个从节点A1、B1、C1整个集群便有了三个Master节点和三个Slave节点组成，在节点B失败后，集群选举B1位为新的主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用。

7. 搭建Redis群集模式

7.1 服务器IP配置

redis的集群一般需要6个节点，3主3从。方便起见，这里在同一台服务器上模拟；
以端口号进行区分，3个主节点端口号6001/6002/6003，对应的从节点端口号6004/6005/6006。

7.2 服务器防火墙环境

systemctl stop firewalld && systemctl disable firewalld
setenforce 0

7.3 创建集群配置目录及文件

[root@node ~]# cd /etc/redis
[root@node redis]# mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}
[root@node redis]# for i in {1..6}
> do
> cp /opt/redis-5.0.7/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
> cp /opt/redis-5.0.7/src/redis-cli /opt/redis-5.0.7/src/redis-server /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
> done
[root@node redis]# ls -R redis-cluster/
redis-cluster/:
redis6001  redis6002  redis6003  redis6004  redis6005  redis6006
 
redis-cluster/redis6001:
redis-cli  redis.conf  redis-server
 
redis-cluster/redis6002:
redis-cli  redis.conf  redis-server
 
redis-cluster/redis6003:
redis-cli  redis.conf  redis-server
 
redis-cluster/redis6004:
redis-cli  redis.conf  redis-server
 
redis-cluster/redis6005:
redis-cli  redis.conf  redis-server
 
redis-cluster/redis6006:
redis-cli  redis.conf  redis-server

7.4 开启群集功能

仅以redis6001为例，其他5个文件夹的配置文件以此类推修改，特别注意端口号的修改。

[root@node redis]# cd redis-cluster/redis6001
[root@node redis6001]# vim redis.conf 
 
##69行，注释掉bind项，默认监听所有网卡
#bind 127.0.0.1
##88行，修改，关闭保护模式
protected-mode no
##92行，修改，redis监听端口
port 6001
##136行，开启守护进程，以独立进程启动
daemonize yes
##832行，取消注释，开启群集功能
cluster-enabled yes
##840行，注销注释，群集名称文件设置
cluster-config-file nodes-6001.conf
##846行，注销注释，群集超时时间设置
cluster-node-timeout 15000
##700行，修改，开启AOF持久化
appendonly yes

7.5 启动redis节点

分别进入那六个文件夹，执行命令：“redis-server redis.conf”，来启动redis节点

[root@node redis6001]# for d in {1..6}
> do
> cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
> ^C
[root@node redis6001]# for d in {1..6}
> do
> cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$d
> redis-server redis.conf
> done
[root@node1 redis6006]# ps -ef | grep redis
root        992      1  0 13:45 ?        00:00:07 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root       2289      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6001 [cluster]
root       2294      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6002 [cluster]
root       2299      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6003 [cluster]
root       2304      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6004 [cluster]
root       2309      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6005 [cluster]
root       2314      1  0 14:41 ?        00:00:00 redis-server *:6006 [cluster]
root       2450   2337  0 14:50 pts/0    00:00:00 grep --color=auto redis

7.6 启动集群

[root@node redis6006]# redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6001 127.0.0.1:6002 127.0.0.1:6003 127.0.0.1:6004 127.0.0.1:6005 127.0.0.1:6006 --cluster-replicas 1

六个实例分为三组，每组一主一从，前面的做主节点，后面的做从节点。下面交互的时候需要输入yes才可以成功创建。
–replicas 1表示每个主节点有1个从节点。

7.7 测试集群

[root@node1 redis6006]# redis-cli -p 6001 -c
#加-c参数，节点之前就可以互相跳转
127.0.0.1:6001> cluster slots
#查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 0
#哈希槽起始编号
   2) (integer) 5460
#哈希槽终止编号
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6001
#node节点主
      3) "18e59f493579facea29abf90ca4050f566d66339"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6004
#node节点从
      3) "2635bf6a0c286ef910ec5da03dbdc7cde308c588"
2) 1) (integer) 10923
   2) (integer) 16383
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6003
      3) "51460d417eb56537e5bd7e8c9581c66fdd817b3c"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6006
      3) "51a75667dcf21b530e69a3242a3e9f81f577168d"
3) 1) (integer) 5461
   2) (integer) 10922
   3) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6002
      3) "6381d68c06ddb7ac43c8f7d7b8da0644845dcd59"
   4) 1) "127.0.0.1"
      2) (integer) 6005
      3) "375ad927116d3aa845e95ad5f0586306e7ff3a96"
127.0.0.1:6001> set num 1
OK
127.0.0.1:6001> get num
"1"
127.0.0.1:6001> keys *
1) "num"
127.0.0.1:6001> quit
[root@node1 redis6006]# redis-cli -p 6002 -c
127.0.0.1:6002> keys *
#6002端口无键值对
(empty list or set)
127.0.0.1:6002> get num
-> Redirected to slot [2765] located at 127.0.0.1:6001
"1"
#6002端口获取到num键位于6001端口，切换到6001端口并显示键值
127.0.0.1:6001> set key1 11111
-> Redirected to slot [9189] located at 127.0.0.1:6002
OK
#6001端口创建键值对，将其存至6002端口，并切换至6002端口
127.0.0.1:6002>