redis使用基础（六） ——Redis集群

redis使用基础（六）

——Redis集群

 

（转载请附上本文链接——linhxx）

 

一、单台服务器

         单台redis服务器，会出现单点故障，且需要承受所有的负载。另外，所有的内容都存在单个服务器上，该服务器会成为瓶颈。

         使用多台服务器作为redis服务器，需要考虑集群管理，如数据一致性、增加节点、故障恢复等问题。redis对处理这些问题有一套方案。

 

二、复制

         redis的持久化功能保证了数据的持久性，但是如果服务器故障，数据还是可能会丢失，因此需要将数据备份到其他服务器。当一台服务器内容更新，会通知其他服务器进行备份。

         多台服务器使用redis时，有主数据库、从数据库的概念。通常主数据库是读写（或只有写操作），从数据库都是只读。主数据库数据的变化会通知从库，让从库进行更新。

 

1、命令

         1）redis配置从数据库，只需要在从数据库配置文件中加入命令：slave of 主库ip 主库端口。该命令可以在开启数据库的时候使用，也可以在运行期间使用。

         2）主数据库无需任何配置。

         3）查看数据库的从库/主库命令：INFO replication，该命令返回当前库的角色（master/slave），对于主库还可以看到从库的数量、每个从库的ip与端口、当前连接开启的从库数量，对于从库可以看到主库的ip和端口。

 

2、注意事项

         如果当前数据库已经是某个数据库的从库，再输入slave of 新主库，则会断开和当前主库的连接，并成为新主库的从库，且同步新主库的数据（如果现有数据新的主库也有，会被覆盖）。

         运行期间输入slave of no one命令，使当前数据库与主库断开连接，并且自己成为主库。

 

3、原理

a. 复制初始化：

         1）从数据库启动后，给主库发送sync命令。

         2）主库接到命令后，会开始对当前数据保存快照（RDB持久化），且对保存期间客户端发送的写命令进行缓存。保存完毕后，将保存文件和缓存的写命令一起发给从数据库。

         3）从数据库收到后，会还原快照，并且执行缓存命令。

         复制初始化后，主数据库每当收到写命令，都会发送给从数据库。

         断开连接后重连时，2.8之前的redis版本会重新进行一遍复制初始化；2.8开始的版本可以进行增量初始化，加快初始化速度。

b. 协议角度分析复制初始化：

         1）从库使用命令连接主库，如果需要输入密码则还要和主库发送auth验证。

         2）从库使用replconf listening-port 端口号告诉主库当前监听的端口号。

         3）向主库发送sync命令开始同步。主库发送回快照文件和缓存命令，从库收到后写入硬盘的临时文件中。

         4）写入完成后，从库会使用该rdb文件替换当前rdb文件。

         5）在同步过程中，从库不会阻塞，可以接收客户端的命令。默认情况下，同步还没完成时，会用同步前的数据响应客户端。也可以通过配置文件slave-server-stable-data=no，强制要求同步完成后才可以提供服务，则此时同步期间收到客户端的请求会报错。

         6）复制完成后，主数据库的任何写操作，从数据库都会收到异步的命令，并且去执行。

c. 乐观复制

         redis采用乐观复制的策略，容忍一定时间内的数据差异，最终数据是一致的。

         当主库收到写命令，会立即写完并反馈给客户端，再异步地向从数据库发送命令告知同步，因此存在差异的时间端口。可以配置从库至少连接几个时，主库才可写，通过配置文件的命令min-slaves-to-write。

 

4、图结构

         从数据库不仅可以作为主库的从库，也可以作为其他从数据库的主库。

 

 

         上图中A变化会同步给B和C，B变化会同步给D和E，但不会同步给A和C。

 

5、读写分离优势

         正常的业务场景中，都是大量的读操作（远大于写操作），甚至带上计算（如sort）等场景，单个服务器很难应付，这是多个数据库的优势，保证主库仅进行写操作和同步数据，从库进行读操作，可以把工作量平均分配给从数据库。

 

6、从库持久化

         持久化比较耗时，当有主从结构时，通常设置主库禁止持久化，由从库进行持久化操作。当主库奔溃时，使用以下方式进行还原：

         1）将进行持久化的某台从库服务器，执行slave of no one，使其变成主库。

         2）将重新恢复正常后的原主库，执行slave of 步骤1的从库，使其变成原从库的从库。

         3）注意事项

         主库设置关闭持久化后，一定要同时关闭自动重启功能。因为其没有持久化数据，关闭（无论正常还是异常关闭）后数据全部清空，如果此时自动重启，则所有的从库会同步数据，所有的数据都被清空。

 

7、无硬盘复制

         使用rdb复制，简化逻辑，代码易复用，但是有以下缺点：

         1）无法确定主库恢复数据的时间，因为快照的复制时间不确定。

         2）复制初始化要在硬盘创建文件，如果硬盘性能差则会很慢（如网络硬盘）。

         因此，redis2.8开始的版本，允许主库通过配置文件开启无硬盘复制，即对从库进行复制初始化时，直接通过网络传输给从库，而不是在主库的本地先生成rdb文件，再传输rdb。命令是 repl-diskless-sync yes

 

8、增量复制

a. 当从库断开重连，如果要全量复制，速度较慢。从redis2.8开始，支持增量复制。增量复制如下步骤：

         1）从库存储主库的运行id（run id），每个redis实例有唯一运行id，重启后id会变。

         2）复制过程中，主库把命令传给从库，并把命令存到挤压队列（backlog）中，记录当前挤压队列存放命令的偏移量。

         3）从库接收到主库的命令后，会记录偏移量。

         4）从库准备就绪后，从redis2.8开始，不再发送sync，而是发送psync 主库运行id断开前最新偏移量。

b. 主库收到psync后，会进行以下判断确定是否进行增量复制；

         1）首先判断运行id是否正确，例如主库重启过则id会是新的。如果运行id不正确，则进行全量复制。

         2）判断从库最后同步成功的命令是否在挤压队列中，在的话则可以进行增量复制，否则全量复制。

c. 挤压队列：

         挤压队列本质是固定长度序列，大小为1MB，挤压队列越大，则允许断开的时间越长。通过repl-backlog-size设置挤压队列大小，通过repl-backlog-ttl设置全部从库断开连接后挤压队列释放的时间。

 

三、哨兵

         redis2.8开始，提供稳定的哨兵，对redis的主从数据库进行自动化的系统监控和状态恢复。

 

1、概念

         哨兵用于监控redis运行情况，监控主从数据库是否正常运行，并且在主库故障时将从库转换为主库。可以设置单个哨兵，也可以设置多个哨兵。

         单个哨兵：

 

 

多个哨兵：

 

 

 

2、哨兵使用方式

         现假设有一主二从数据库。哨兵建立方式如下：

         1）建立配置文件，文件名可以任意，如sentinel.conf，里面的内容为：

         sentinel monitor 主库名字（任意，只能是字母、数字、-、.、_） 主库ip 主库端口 主库投票数。

         由于同一个主从系统可以多个哨兵检查，则投票数的目的在于当该哨兵认为主库主观下线，至少还要有 投票数-1 （因为包括当前哨兵）的哨兵认为是客观下线，才会换主库。

         其中只需要配置主库，哨兵会自动获取从库。该文件可以有多行，每一行表示一个主库。设置多行表示检测多个主从系统。

         除了monitor，还可以配置其他监控内容，通过主库名字区分监控的是哪个主从系统。

         2）执行 sentinel进程，将配置文件传给哨兵：

         redis-sentinel  /sentinel.conf的路径/sentinel.conf

        3）启动哨兵，可以看到哨兵的run id，输出+monitor表示监测到主库，+slave表示检测到从库。

         哨兵执行过程如下：

         1）主库关闭

         如果将主库关闭（可以手动关闭或杀死进程），等待时间（默认30秒，可配置），会输出+sdown 主库ip 主库端口，表示哨兵主观认为主库停止服务。接着是+odown，表示哨兵客观认为主库停止服务。

         当输出+odown后，哨兵会自动开始故障恢复，+try-failover开始修复，+failover-end表示修复完毕。修复完毕后，会重新设置一个主库，+switch-master 原主库名 原主库ip 原主库端口 新主库ip 新主库端口。接着，又会有+slave输出，表示检测到新主库的从库，原主库恢复连接后，也会被设置成新主库的从库。

         2）从库关闭

         从库如果被关闭，也会检测到+sdown，当从库再次开启，会检测到-sdown，并且会输出+convert-to-slave将重启后的从库再次设置为从库。

         从库只有主观下线，没有客观下线。因为客观下线后需要重新选出新主库，这对于从库来说没有必要。

 

3、哨兵原理

         1）哨兵进程启动时，通过读取上述提到的配置哨兵配置文件，确定主库的信息。当配置文件中有多行数据，表示是多个主从系统，哨兵也可以同时检测。

         2）哨兵启动后，与要检测的主库建立两个连接，一个订阅来自主数据__sentine1__:hello频道，以获取其他监控该主库的哨兵信息；另一个用来给主库建立连接定期发送INFO等命令（这是因为考虑到主库可能会进入订阅模式，而无法执行其他命令，所有才用连接）。

         3）连接建立后，进行如下操作：

         a. 每10秒向主库发送INFO命令。

         目的是获取当前主从系统的相关信息，如从库信息，比较上次发送的信息与当前的信息，确认主从库是否有故障。

         b. 每2秒向主库与从库的__sentine1__:hello发送哨兵自身的信息。

         目的是为了使各哨兵之间互相确认当前的检测范围，形成监测网。发送的内容包括哨兵地址、端口、运行id、配置版本，主库名字、地址、端口、配置版本。

当发现主库配置版本比较落后，还会更新主库的信息。

         c. 每1秒向主从数据库以及其他哨兵发送ping命令。

         目的是确认各库、各哨兵是否正常服务。1秒这个时间可以通过配置文件的字段进行配置，down-after-milliseconds，单位是毫秒。如果大于1秒则采用1秒，小于1秒则采用配置的数据。因此开启哨兵后，最少每秒会查看一次各库的情况。

         4）判断各库是否下线

         a. 当超过down-after-milliseconds时间，库没有回复，则认为其主观下线，即上述的检测到+sdown。

         当下线的是主库，哨兵还会给其他哨兵发送命令，确认其他哨兵是否也认为主库主观下线，当达到指定数量（哨兵配置文件中主库的投票数，投票数含自身），则认为其客户下线（检测到+odown），此时重新选主库。

         5）选举领头哨兵

         多个哨兵确认主库客观下线，会选举出一个领头哨兵进行故障恢复，避免多个哨兵重复恢复。

         选举领头哨兵，采用Raft算法，如下：

         a. 发现主库客观下线的哨兵A，向其他哨兵发送命令，要求选举自己为领头哨兵。

         b. 如果接到命令的哨兵，没有选过其他人，则选A。

         c. 当A的票数超过哨兵的半数，且超过哨兵配置文件对该主库的投票数，则A称为领头哨兵。

         由于要超过半数才能当领头哨兵，因此确保每次选举都只会选出一个领头哨兵。

         d. 当多个节点参选领头哨兵，如果出现没有任何哨兵当选的情况，则每个哨兵随机等待一个时间，再重新发起请求。

         6）故障恢复

         领头哨兵挑选一个从库作为新的主库，挑选依据如下：

         a. 所有在线从库，选择优先级最高的从库，优先级通过配置文件的slave-priority来设置。

         b. 当多个从库优先级都一样且最高，则复制的偏移量越大，即增量复制时保存的数据相对约完整的，越优先。

         c. 以上条件都一样，则选择运行id最小的从库作为新的主库。

         7）后续步骤

         a. 选出新主库，领头哨兵会向其发送slave of no one，让其成为主库，再向其他从库发送slave of命令，让其他从库称为该新主库的从库。

         b. 将旧主库设置成为新主库的从库，使其重启后可以直接投入工作。

 

4、哨兵部署

         哨兵以独立进程的方式进行监控，如果系统哨兵较少，可靠度则较低。因为哨兵本身也可能发生故障。因此，相对稳妥的方案：

         1）为每个数据库（无论主从）都配置一个哨兵。

         2）使每个哨兵与其对应节点网络环境相似。

         但是，redis不支持连接复用，配置过多哨兵会有太多的冗余连接；另外redis负载高时会影响其对哨兵的回复以及哨兵和其他哨兵的通信。

         因此要根据实际情况设置哨兵。

 

四、集群

 

1、分片方式

         当主从结构的每个库都存储全量数据，则导致该主从系统的最大存储量被最小存储的redis服务器限定，形成木桶效应。

因此可以对redis进行水平扩容。由于redis轻量级，因此可以预先分足够多数量的片，并在存储的时候客户端采用某一算法将数据平均分配到不同的redis中。当数据量小的时候，每个片占用的内存都不多；当数据量很大时，也只需要将部分redis迁移到其他服务器即可。

 

2、集群概述

         分片方式维护成本高，从redis3.0开始，集群是更好的解决方案。集群拥有和单机一样的性能，网络分区后提供可访问性，提供主库故障恢复支持。

集群支持所有单机执行的命令，对于多键命令（如MGET），如果多键都在同一个集群节点则正常返回，否则报错。另外，集群只支持0号数据库，如果使用select选择数据库也会保存。

 

3、配置集群

1）将每个节点设置成可集群

         将每个数据库配置文件的cluster-enabled 开启（设置成yes）即可。每个集群至少要三个数据库才可能正常运行。

         集群会将当前节点记录的集群状态持久化存储在指定文件中，默认是当前工作目录下的nodes.conf文件。但是，要求每个节点文件不同，否则会报错。因此，需要在开启节点前，设置节点的持久化路径，通过配置文件的命令cluster-config-file  /路径/nodes.conf。

         连接上任一集群，通过INFO cluster命令，可以判断该集群是否可用。返回值中如果cluster_enabled:1，则表示可用。

         该配置生效后，表示该节点是一个独立的节点，还未加入集群。

2）redis-trib.rb

         redis源码提供的一个文件，用于协助节点加入集群，由于是ruby写的，因此需要节点环境安装配置ruby，另外还需要gem包redis，通过gem install redis进行安装。

3）初始化集群

         /redis-trib.rb的路径/redis-trib.rb create --replicas 1 ip1:port1 ip2:port2 ip3:port3 ip4:port4 ip5:port5 ip6:port6

         其中--replicas 1表示集群中每个主库一个从库，该命令会将ip1、2、3的库设置为主库，4、5、6设置为从库。

         也可以同一个ip的不同port加入集群。

4）集群创建的详细过程

         a. redis-trib.rb以客户端形式连接所有节点，发送ping命令，如果有任何节点无法正常服务，则集群建立失败。接着，发送INFO命令，确定每个节点的运行id以及是否开启集群。

         b. 向每个节点发送cluster meet命令，格式cluster meet ip port，告诉当前节点指定ip:port的节点也是集群的一个节点。从而使各ip归入一个集群。

         c. 分配主从数据库节点，原则是尽量让每个主库运行在不同ip，确保系统容灾能力。

         d. 为每个主库分配插槽，实质就是分配哪些键归哪些节点负责。

         e. 为每个将要成为从库的库，发送命令CLUSTER REPLICATE 主库运行ID，将当前节点转换成从库，并复制数据。

         上述步骤后，集群创建完成，连接上任意节点，输入命令CLUSTER NODES，可以查看集群的情况，包括每个节点运行id、地址、端口、角色、状态、插槽等。

 

4、节点增加

         向加为节点的redis（下面称为A），发送命令CLUSTER MEET ip port，其中ip和端口是目前集群中的任一节点（下面称为B）。

         A接到命令后，会与B进行握手，使B认为A是集群的一员。接着，B会使用Gossip协议，将A的信息通知集群的其他节点。

 

5、插槽（Slot）分配

         新节点可以执行cluster replicate成为某个主节点的从节点，也可以申请一个插槽作为主节点运行。

1）键与插槽的关系

         redis将每个键的键名有效部分用CRC16算法，计算散列值，再取对16384的余数。这样使每个键都可以分配到16384个插槽中。进而分配指定节点处理。因此，集群最大节点数量是16384，通常建议在1000左右。

         有效键名指：

         a. 如果键名包含{，且后面有}，且{}之间至少1个字符，则有效键名是{}之间的内容。

         b. 如果不满足上述条件，则键名是整个数据。

         这样做的好处在于，可以把某个系统都设置成一样的，例如{order}:id，{order}:user:orderid，这两个键由于都有{}，且里面的内容不止1个字符，因此有效键名都是order，则会被分配到1个节点进行存储，也就可以使用MGET等批量操作进行查询。

2）插槽分配指定节点

         a. 插槽没有分配过

         在要分配的节点，执行命令cluster add slot1 [slot2 slot3….]进行分配，如果某个插槽已经分配节点，会报错。

         可以通过cluster slots查看当前插槽的情况。

         b. 分配过的插槽重新分配

         可以使用redis-trib.rb reshard 待分片ip:端口，然后跟着命令提示输入迁移插槽数量、迁移至的运行id、迁移前的运行id，完成迁移。（推荐使用此方法）

也可以直接执行命令：cluster set slots 插槽号 node 新的运行id。但是由于迁移不会把键也迁移过去，因此如果插槽里面有键会丢失，所以要按下列方式进行迁移。

a. 获取插槽存在的所有键：cluster getkeysinslot 插槽号 要返回键的数量

b. 对每个键迁移：migrate          目标节点地址 目标节点端口 键名 数据库号码 超时时间 [copy] [replace]。[copy]则表示不删除当前键，是在新地址建立副本；[replace]表示目标地址如果有同名的键，则覆盖目标地址的同名键。

c. 重新分配插槽：cluster setslots 插槽号 node 新的运行id。

3）迁移过程的数据问题

         迁移过程中，如果时间较久，可能会存在数据不一致问题。redis提供解决方案，实现集群在线情况下的插槽迁移。

         命令：

         cluster setslot 插槽号 migrating 新节点的运行id

cluster setslot 插槽号 importing 新节点的运行id

如果要把0号插槽从A移到B，需要如下操作（redis-trib.rb的方案）：

a. B执行 cluster setslot 0 importing A

b. A执行 cluster setslot 0 migrating B

c. 执行cluster getkeysinslot 0获取0号插槽的键列表

d. 对第三步的每个键执行migrate，迁移键

e. cluster setslots 0 node B 完成迁移

即多了a、b两个步骤，执行完前两步时，客户端A请求插槽0中的键时，如果键存在（未迁移），则正常处理；如果不存在，则返回ASK跳转请求，告诉客户端键在B。客户端接到ASK后，向B发送ASKING，再发送请求数据的命令。

 

 

相反，如果客户端向B发送请求，如果有ASKING，则返回数据，否则B返回MOVED跳转，要求客户端去A请求数据。

 

 

 

6、获取键对应的插槽

         客户端发送请求键的操作，如果某个节点有该键，则返回；否则返回重定向请求。这个重定向请求，如果开发语言已经封装，则对于开发者是透明的，相当于单机。如果没有封装，则需要手工实现重定向。

         重定向的返回：MOVED 插槽号 IP:port，客户端收到重定向后，需要重定向到IP:port的地方，去进行键的相关操作。

         redis-cli模式下，在对节点进行初始化连接的时候，加上-c参数，如果后续客户端发送过来该阶段不存在的键，会自动重定向。

         优化：

         重定向使得原本一次连接可以完成的操作，需要两次连接。反复这样会影响性能，通常需要客户端缓存插槽信息，后面就直接往相应的插槽发送数据。

 

7、故障恢复

         集群内的每个节点，每秒都会随机选5个节点，再选这5个节点中最久没有响应的节点发送ping命令。如果一定时间内没有回复，会被认为疑似下线（PFAIL），与哨兵的主观下线相类似，如果要真正确认节点下线，还需要一定数量的节点认为该阶段疑似下线。

         过程如下：

         1）节点A认为节点B疑似下线，会和集群的其他节点广播。

         2）当集群中的某一节点C收到集群中半数以上的节点认为B疑似下线，则确认B下线，并进行广播。

         当集群中的一个主库下线，至少需要1个从库顶上，因此，集群中每个主库至少要有一个从库。

选择哪个从库作为新主库，和哨兵的方式一样，Raft算法，如下：

         1）发现主库下线的从库A，向集群其他节点发送请求，要求称为主库。

         2）集群的其他节点如果没有选其他的从库，则选A作为主库。

3）A发现集群半数以上节点选A做主库，则A就成为主库。

4）当多个库参选，出现没有库可以当选主库的情况，则这些库都随机等待一个时间再发送请求。

当某个从库变成主库后，会通过命令Slave of no one将自己变成主库，并把旧主库的插槽转给自己负责。

当某个主库负责1个以上的插槽，且该主库下线，且没有可用的从库时，默认情况认为该集群已经不可用，集群下线。如果希望集群不下线继续工作，可以通过配置文件cluster-require-full-coverage no（默认是yes）。

 

——written by linhxx

 

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