Redis应用-1.主从复制

目录

• 1.主从复制
  • 1.1 主从复制简介
  • 1.2 主从复制工作流程
    • 阶段一：建立连接阶段
    • 阶段二：数据同步阶段工作流程
    • 阶段三：命令传播阶段
    • 数据同步+命令传播阶段工作流程（重点）
  • 1.3 主从复制常见问题
    • （1）频繁的全量复制
    • （2）频繁的全量复制
    • （1）频繁的网络中断
    • （2）频繁的网络中断
    • 数据不一致

1.主从复制

1.1 主从复制简介

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。 

**多台服务器连接方案 **

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

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: 
    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，是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 

1.2 主从复制工作流程

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：建立连接阶段

建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号  

建立连接阶段工作流程

步骤1：设置master的地址和端口，slave端保存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 ，master保存slave的端口
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： 
      master与slave之间创建了连接的socket 

主从连接（slave连接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conf配置

slaveof  <masterip>  <masterport>

	slave系统信息: 										master系统信息: 
master_link_down_since_seconds 						slave_listening_port(多个) 
	masterhost 
	masterport 

主从断开连接(了解)

slave客户端发送命令

slaveof  no  one

说明：

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 

授权访问

master客户端发送命令设置密码:									
 requirepass  <password> 										

master配置文件设置密码: 										
config  set  requirepass  <password>							 
config  get  requirepass 

启动服务器设置密码:
redis-server  –a  <password>

主设置密码，从怎么访问？

slave客户端发送命令设置密码:
auth  <password> 

slave配置文件设置密码:
masterauth  <password> 

阶段二：数据同步阶段工作流程

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： 
      master、slave之间完成了数据克隆 
 

过程：
slave发送psync2同步指令，master执行bgsave，此时master创建了命令缓冲区，将basave过程中的命令放在缓冲区，生成的 RDB文件发送给slave。然后将缓冲区中命令再发送给slave恢复。

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。 

master设置同步数据块大小（命令缓冲区）

repl-backlog-size  1mb(默认)  

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 

数据同步阶段slave说明

1.为避免slave进行全量复制、增量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 
(关闭写数据功能)
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 

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 

命令传播阶段的部分复制

命令传播阶段出现了断网现象 
    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
 

部分复制的三个核心要素 
    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 

服务器运行ID（run id）

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 
 
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 
 
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 
 
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，通过 info Server 命令，可以查看节点的run id 

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 

复制缓冲区内部工作原理

组成 
    偏移量 
    字节值 
    
工作原理 
    通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异 
    master记录已发送的信息对应的offset 
    slave记录已接收的信息对应的offset 

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 
 
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 
 
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(切换数据库)）
 
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

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接收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，比对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（重点）

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： 
    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最后一次连接时间间隔，lag项维持在0或1视为正常 
 
slave心跳任务:
    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-slaves-to-write  2   // 设置最小的slave写数量，小于它，就不在写数据
 min-slaves-max-lag   8   // 设置slave连接时长，大于它，就不在写数据
 
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

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

主从复制工作流程（完整）

1.3 主从复制常见问题

（1）频繁的全量复制

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

（2）频繁的全量复制

问题现象
	网络环境不佳，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：
    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 
 

（1）频繁的网络中断

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接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能 
	master每1秒调用复制定时函数replicationCron()，比对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、带宽、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   

（2）频繁的网络中断

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到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 
	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-serve-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）