Redis数据库（四）——Redis集群模式（主从复制、哨兵、Cluster）

2021-07-03 16:05:32

一、Redis高可用

1、在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务（99.9%、99.99%、99.999%等等）

2、但是在Redis语境中，高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务（如主从分离、快速容灾技术），还需要考虑数据容量的扩展、数据安全不会丢失等。

3、在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和 cluster集群，下面分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题。

持久化∶ 持久化是最简单的高可用方法（有时甚至不被归为高可用的手段），主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。
主从复制∶主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。
- 　　主从复制主要实现了数据的多机备份，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。
- 　　缺陷：故障恢复无法自动化，写操作无法负载均衡，存储能力受单机的限制。

哨兵∶在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复，最少只需要3台服务器。
- 　　缺陷：写操作无法负载均衡，存储能力受到单机的限制。哨兵无法对从节点进行自动故障转移，在读写分离场景下，从节点故障会导致读服务不可用，需要对从节点做额外的监控，切换操作

cluster集群∶通过集群。Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完姜的高可用方案，也可以实现哨兵的自动化故障恢复功能，
- 　　缺陷：最少需要6台服务器，成本较高，配置复杂

虽然cluster集群满足了所有的要求，但是很多公司仍然使用哨兵模式

1.哨兵模式成本较低，最少只需3台服务器，而cluster至少需要6台

2.如果应用场景读的情况多，写的情况较少，那哨兵模式足以满足生产需求

所以需要根据实际应用场景需求选择合适的模式

二、Redis主从复制

1、Redis主从复制的概念

主从复制，是指将一台Redis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(或没有从节点)，但一个从节点只能有一个主节点。

2、Redis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；尤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、Redis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，Maste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，则恢复正常后会自动重新连接。

（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Mater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、Redis主从复制的搭建

1、环境配置/安装包

主机	操作系统	IP地址	软件 / 安装包 / 工具
Master	CentOS7	192.168.159.12	redis-5.0.7.tar.gz
Slave1	CentOS7	192.168.159.6	redis-5.0.7.tar.gz
Slave2	CentOS7	192.168.159.15	redis-5.0.7.tar.gz

2、安装Redis（所有主机）

systemctl stop firewalld
setenforce 0

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

回车四次，下一步需要手动输入

Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server  	

ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/

三台服务器都一样安装，以下示范一台　　

3、修改Master节点Redis配置文件

（192.168.159.12）

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0						#70行，修改bind 项，0.0.0.0监听所有网段
daemonize yes						#137行，开启守护进程
logfile /var/log/redis_6379.log		#172行，指定日志文件目录
dir /var/lib/redis/6379				#264行，指定工作目录
appendonly yes						#700行，开启AOF持久化功能

/etc/init.d/redis_6379 restart

4、修改Slave节点Redis配置文件

（192.168.159.6）、（192.168.159.15）

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0						#70行，修改bind 项，0.0.0.0监听所有网卡
daemonize yes						#137行，开启守护进程
logfile /var/log/redis_6379.log		#172行，指定日志文件目录
dir /var/lib/redis/6379				#264行，指定工作目录
replicaof 192.168.184.10 6379		#288行，指定要同步的Master节点IP和端口
appendonly yes						#700行，开启AOF持久化功能

/etc/init.d/redis_6379 restart

还有端口

5、验证主从效果

在Master节点上看日志

tail -f /var/log/redis_6379.log

在Master节点上验证从节点

redis-cli info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.159.6,port=6379,state=online,offset=555,lag=0
slave1:ip=192.168.184.15,port=6379,state=online,offset=555,lag=0

二、Redis 哨兵模式

哨兵的核心功能：在主从复制的基础上，哨兵引入了主节点的自动故障转移　　

1、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。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点。

2、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。

3、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哨兵节点组成，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。

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。

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。

4、哨兵模式的搭建

1、环境配置

基于主从复制已搭建完成

主机	操作系统	IP地址	软件 / 安装包 / 工具
Master	CentOS7	192.168.159.12	redis-5.0.7.tar.gz
Slave1	CentOS7	192.168.159.6	redis-5.0.7.tar.gz
Slave2	CentOS7	192.168.159.15	redis-5.0.7.tar.gz

2、修改 Redis 配置文件（所有节点操作）

systemctl stop firewalld
setenforce 0

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
protected-mode no								#17行，关闭保护模式
port 26379										#21行，Redis哨兵默认的监听端口
daemonize yes									#26行，指定sentinel为后台启动
logfile "/var/log/sentinel.log"					#36行，指定日志存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"						#65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.184.10 6379 2	#84行，修改 指定该哨兵节点监控192.168.184.10:6379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，才能判定主节点故障并进行故障转移
sentinel down-after-milliseconds mymaster 30000	#113行，判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒（30秒）
sentinel failover-timeout mymaster 180000		#146行，故障节点的最大超时时间为180000（180秒）

2、启动哨兵模式

先启master，再启slave

cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &
注意！先启动主服务器，再启动从服务器

3、故障模拟

查看redis-server进程号

杀死 Master 节点上redis-server的进程号

kill -9 13039			#Master节点上redis-server的进程号

4、验证结果

tail -f /var/log/sentinel.log

redis-cli -p 26379 INFO Sentinel

三、Redis 群集模式

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

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。

1、集群的作用

（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都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提及；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。

（2）高可用：集群支持主从复制和主节点的自动故障转移（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。

2、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，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作

#以3个节点组成的集群为例：
节点A包含0到5460号哈希槽
节点B包含5461到10922号哈希槽
节点C包含10923到16383号哈希槽

#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。
为每个节点添加一个从节点A1、B1、C1整个集群便有三个Master节点和三个slave节点组成，在节点B失败后，集群选举B1位为的主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用

3、搭建Redis 群集模式

redis的集群一般需要6个节点，3主3从。方便起见，这里所有节点在6台服务器上模拟：
以IP及端口号进行区分：3个主节点端口号：7001、7003、7005，对应的从节点端口号：7002、7004、7006。　　

六台服务器都需要安装redis数据库，可使用以下脚本　　

#!/bin/bash
echo -e "\033[31m =====正在验证当前为仅主机还是NAT模式===== \033[0m"
ping -c1 -W1 www.baidu.com &> /dev/null
if [ $? -eq 0 ];then echo -e "\033[31m 检测当前为NAT模式，为您配置在线yum源 \033[0m"
mkdir -p /etc/yum.repos.d/repo.bak

mv -f /etc/yum.repos.d/* /etc/yum.repos.d/repo.bak &> /dev/null

wget -O /etc/yum.repos.d/CentOS-Base.repo https://mirrors.aliyun.com/repo/Centos-7.repo &> /dev/null

yum clean all &> /dev/null
yum list &> /dev/null
echo -e "\033[31m 在线源已配置完成 \033[0m"

else
echo -e "\033[31m 检测当前为仅主机模式，为您配置本地yum源 \033[0m"
mount /dev/sr0 /mnt &> /dev/null
cd /etc/yum.repos.d/
mkdir -p /etc/yum.repos.d/repo.bak

mv -f /etc/yum.repos.d/* /etc/yum.repos.d/repo.bak &> /dev/null

echo '[local]
name=local
baseurl=file:///mnt
enabled=1
gpgcheck=0' > /etc/yum.repos.d/local.repo
yum clean all &> /dev/null
yum makecache &> /dev/null

df -h | grep "/mnt" 
if [ $? -ne 0 ];then
echo -e "\033[31m 检测当前为仅主机模式，但光盘未连接！ \033[0m"
else
echo -e "\033[31m 本地yum源已配置完成 \033[0m"
fi
fi

#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
yum install -y gcc gcc-c++ make
yum -y install expect
cd /opt
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
/usr/bin/expect <<EOF
spawn ./install_server.sh
expect "instance" {send "\r"} 
expect "config" {send "\r"}
expect "log" {send "\r"}
expect "data" {send "\r"}
expect "executable" {send "/usr/local/redis/bin/redis-server\r"}
expect "abort" {send "\r"}
expect eof
EOF

ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
/etc/init.d/redis_6379 restart     

sed -i '/bind 127.0.0.1/c bind 0.0.0.0' /etc/redis/6379.conf
sed -i 's/appendonly no/appendonly yes/' /etc/redis/6379.conf

/etc/init.d/redis_6379 restart
/etc/init.d/redis_6379 status
netstat -natp | grep redis

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