3. redis集群复制

• 一、总览
• 二、配置
  • 2.1 建立复制
  • 2.2 断开复制
  • 2.3 安全性
  • 2.5 只读
  • 2.6 传输延时
• 三、拓扑结构
• 四、原理
  • 4.1 复制过程
  • 4.2 数据同步
    • 1.复制偏移量
    • 2.复制积压缓存区
    • 3. 主节点运行ID
    • 4.心跳
• 五、总结回顾
• 六、参考文献

一、总览

       在分布式系统中为了解决单点问题，通常会把数据复制多个副本部署到其他机器，满足故障恢复和负载均衡等需求。Redis也是如此，它为我们提供了复制功能，实现了相同数据的多个Redis副本。复制功能是高可用Redis的基础，后面章节的哨兵和集群都是在复制的基础上实现高可用的。复制也是Redis日常运维的常见维护点。因此深刻理解复制的工作原理与使用技巧对我们日常开发运维非常有帮助。本章内容如下：

1.介绍复制的使用方式：如何建立或断开复制、安全性、只读等。
2·说明复制可支持的拓扑结构，以及每个拓扑结构的适用场景。
3·分析复制的原理，包括：建立复制、全量复制、部分复制、心跳等。
4·介绍复制过程中常见的开发和运维问题：读写分离、数据不一致、规避全量复制等。

二、配置

2.1 建立复制

参与复制的Redis实例划分为主节点（master）和从节点（slave），一个主节点可以有一个或多个从节点，而一个从节点只能有一个主节点。默认情况下，Redis都是主节点。

配置复制的方式有三种：

1.在配置文件中加入slaveof {masterHost} {masterPort} 随Redis启动生效。

2.在redis-server启动命令后加入–slaveof {masterHost} {masterPort}生效。 

3.直接使用命令：slaveof {masterHost} {masterPort}生效。

slaveof本身是异步命令，执行slaveof命令时，节点只保存主节点信息后返回，后续复制流程在节点内部异步执行，主从节点复制成功建立后，可以使用info replication命令查看复制相关状态。

2.2 断开复制

在从节点执行slaveof no one执来断开与主节点复制关系。

断开复制主要流程：
1）断开与主节点复制关系。
2）从节点晋升为主节点。
从节点断开复制后并不会抛弃原有数据，只是无法再获取主节点上的数据变化。

切主操作：

通过slaveof命令还可以实现切主操作，所谓切主是指把当前从节点对主节点的复制切换到另一个主节点。执行slaveof{newMasterIp}{newMasterPort}命令即可。

切主操作流程如下：

1）断开与旧主节点复制关系。
2）与新主节点建立复制关系。
3）删除从节点当前所有数据。
4）对新主节点进行复制操作。

2.3 安全性

        对于数据比较重要的节点，主节点会通过设置requirepass参数进行密码验证，这时所有的客户端访问必须使用auth命令实行校验。从节点与主节点的复制连接是通过一个特殊标识的客户端来完成，因此需要配置从节点的masterauth参数与主节点密码保持一致，这样从节点才可以正确地连接到主节点并发起复制流程。

2.5 只读

默认情况下，从节点使用slave-read-only=yes配置为只读模式。由于复制只能从主节点到从节点，对于从节点的任何修改主节点都无法感知，修改从节点会造成主从数据不一致。因此建议线上不要修改从节点的只读模式。

2.6 传输延时

主从节点一般部署在不同机器上，复制时的网络延迟就成为需要考虑的问题，Redis为我们提供了repl-disable-tcp-nodelay参数用于控制是否关闭TCP_NODELAY，默认关闭，说明如下：
·当关闭时，主节点产生的命令数据无论大小都会及时地发送给从节点，这样主从之间延迟会变小，但增加了网络带宽的消耗。适用于主从之间的网络环境良好的场景，如同机架或同机房部署。
·当开启时，主节点会合并较小的TCP数据包从而节省带宽。默认发送时间间隔取决于Linux的内核，一般默认为40毫秒。这种配置节省了带宽但增大主从之间的延迟。适用于主从网络环境复杂或带宽紧张的场景，如跨机房部署。

三、拓扑结构

                 

　　　　　　　　 fig 3-1 主从模式

  

      　　　　　　　　               fig 3-2 一主多从模式

                                                    fig 3-3 树状主从结构

四、原理

4.1 复制过程

在从节点执行slaveof命令后，复制过程便开始运作，下面详细介绍建立复制的完整流程，如图4-1所示。

 

　　　　　　　　　　fig 4-1 主从节点建立复制流程图

4.2 数据同步

Redis在2.8及以上版本使用psync命令完成主从数据同步，同步过程分为：全量复制和部分复制。
    ·全量复制：一般用于初次复制场景，Redis早期支持的复制功能只有全量复制，它会把主节点全部数据一次性发送给从节点，当数据量较大时，会对主从节点和网络造成很大的开销，通过发送psync-1命令。
    ·部分复制：用于处理在主从复制中因网络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节点后，如果条件允许，主节点会补发丢失数据给从节点。因为补发的数据远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销，通过发送用psync {runId} {offset}命令。

psync命令运行需要以下组件支持：

·主从节点各自复制偏移量。
·主节点复制积压缓冲区。
·主节点运行id。

1.复制偏移量

参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在inforelication中的master_repl_offset指标中。

---

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
...
master_repl_offset:1055130

---

 从节点（slave）每秒钟上报自身的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量，统计指标如下：

---

127.0.0.1:6379> info replication
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=1055214,lag=1
...

---

从节点在接收到主节点发送的命令后，也会累加记录自身的偏移量。统计信息在info relication中的slave_repl_offset指标中：

---

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
...
slave_repl_offset:1055214

---

由此可以通过主节点的统计信息，计算出master_repl_offset-slave_offset字节量，判断主从节点复制相差的数据量，根据这个差值判定当前复制的健康度。如果主从之间复制偏移量相差较大，则可能是网络延迟或命令阻塞等原因引起。

2.复制积压缓存区

复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区，如图4-2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　fig 4-2 复制挤压缓存区示意图

由于缓冲区本质上是先进先出的定长队列，所以能实现保存最近已复制数据的功能，用于部分复制和复制命令丢失的数据补救。复制缓冲区相关统计信息保存在主节点的info replication中：

---

 

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
...
repl_backlog_active:1 // 开启复制缓冲区
repl_backlog_size:1048576 // 缓冲区最大长度
repl_backlog_first_byte_offset:7479 // 起始偏移量，计算当前缓冲区可用范围
repl_backlog_histlen:1048576 // 已保存数据的有效长度。

---

3. 主节点运行ID

每个Redis节点启动后都会动态分配一个40位的十六进制字符串作为运行ID。运行ID的主要作用是用来唯一识别Redis节点，比如从节点保存主节点的运行ID识别自己正在复制的是哪个主节点。可以运行info server命令查看当前节点的运行ID：

---

 127.0.0.1:6379> info server

# Server
redis_version:3.0.7
...
run_id:545f7c76183d0798a327591395b030000ee6def9

---

 需要注意的是Redis关闭再启动后，运行ID会随之改变。

如何在不改变运行ID的情况下重启呢？

使用debug reload命令重新加载RDB并保持运行ID不变，从而有效避免不必要的全量复制。

PS:debug reload命令会阻塞当前Redis节点主线程，阻塞期间会生成本地RDB快照并清空数据之后再加载RDB文件。因此对于大数据量的主节点和无法容忍阻塞的应用场景，谨慎使用。

4.心跳

主从节点在建立复制后，它们之间维护着长连接并彼此发送心跳命令。

主从心跳判断机制：
1）主从节点彼此都有心跳检测机制，各自模拟成对方的客户端进行通信，通过client list命令查看复制相关客户端信息，主节点的连接状态为flags=M，从节点连接状态为flags=S。
2）主节点默认每隔10秒对从节点发送ping命令，判断从节点的存活性和连接状态。可通过参数repl-ping-slave-period控制发送频率。
3）从节点在主线程中每隔1秒发送replconf ack{offset}命令，给主节点上报自身当前的复制偏移量。

五、总结回顾

1）Redis通过复制功能实现主节点的多个副本。从节点可灵活地通过slaveof命令建立或断开复制流程。
2）复制支持树状结构，从节点可以复制另一个从节点，实现一层层向下的复制流。Redis2.8之后复制的流程分为：全量复制和部分复制。全量复制需要同步全部主节点的数据集，大量消耗机器和网络资源。而部分复制有效减少因网络异常等原因造成的不必要全量复制情况。通过配置合理的复制
积压缓冲区尽量避免全量复制。
3）主从节点之间维护心跳和偏移量检查机制，保证主从节点通信正常和数据一致。
4）Redis为了保证高性能复制过程是异步的，写命令处理完后直接返回给客户端，不等待从节点复制完成。因此从节点数据集会有延迟情况。
5）当使用从节点用于读写分离时会存在数据延迟、过期数据、从节点可用性等问题，需要根据自身业务提前作出规避。
6）在运维过程中，主节点存在多个从节点或者一台机器上部署大量主节点的情况下，会有复制风暴的风险。

六、参考文献

1. 《Redis开发与运维》，付磊，张益军编著。