Redis高可用集群(主从复制,哨兵,cluster集群)

Redis高可用

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)

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。

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

Redis 主从复制

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。

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。

主从复制流程

(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。

Redis主从复制的搭建

实验环境

主机

操作系统

IP地址

所需的软件/工具

Master服务器

Centos7

192.168.150.35

 redis-5.0.7

Slave1服务器

Centos7

192.168.150.30

 redis-5.0.7

Slave2服务器

Centos7

192.168.150.25

 redis-5.0.7

配置思路

(1)准备三台安装好了redis服务器的主机

(2)master节点修改监听地址为0.0.0.0表示任意地址,并且需要开启AOF持久化,重启服务

(3)Slave节点修改监听地址0.0.0.0,开启AOF持久化,需要额外在配置文件287行指定同步的master节点IP和端口,重启服务。在主服务器写入数据加以验证

配置步骤

1. 安装 Redis

yum install -y gcc gcc-c++ make                              #安装软件环境

tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/

cd /opt/redis-5.0.7/

make

make PREFIX=/usr/local/redis install                       #编译安装文件包

cd /opt/redis-5.0.7/utils

./install server.sh                                                       #配置文件创建,一直回车,可执行文件需要手动添加

·····

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

ln -s /usr/local/redis/bin/*/usr/local/bin/           #创建软链接方便命令执行

chmod +x /etc/init.d/redis_6379                         #加入系统命令管理

chkconfig --add /etc/init.d/redis_6379

systemctl start redis_6379.service

netstat -natp | grep redis

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2. 修改 Redis 配置文件(Master节点操作)

vim /etc/redis/6379.conf

bind 0.0.0.0                                           #70行,修改监听地址为0.0.0.0

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

 

systecmctl restart redis_6379.server

netstat -natp | grep redis

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2. 修改 Redis 配置文件(Slave节点操作)

vim /etc/redis/6379.conf

bind 0.0.0.0                                            #70行,修改监听地址为0.0.0.0

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 192.168.150.35 6379              #287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

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systecmctl restart redis_6379.server

netstat -natp | grep redis

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3. 验证主从效果

在Master节点上查看日志文件

cat /var/log/redis_6379.log

.......

Replica 192.168.150.25:6379 asks for synchronization

Replica 192.168.150.30:6379 asks for synchronization

 Redis高可用集群(主从复制,哨兵,cluster集群)

redis-cli info                                 #可以显示redis服务器的各种状态

redis-cli info replication              #可以显示redis服务器的主从复制的状态

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#在master上插入数据

redis-cli -h 192.168.150.35 -p 6379

192.168.150.35:6379> set id 111

192.168.150.35:6379> get id

#在slave1上查看数据

redis-cli -h 192.168.150.25 -p 6379

192.168.150.25:6379> get id

 

#在slave2上查看数据

redis-cli -h 192.168.150.30 -p 6379

192.168.150.30:6379>get id

 

#无法在slave节点服务写入数据

192.168.150.30:6379> set 111 2

(error) READONLY You can't write against a read only replica.

#从服务器配置主从复制后无法插入数据,实现了读写分离的作用

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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。

哨兵模式原理

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。

Redis高可用集群(主从复制,哨兵,cluster集群)

 

 

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。

哨兵模式的组成

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,不存储数据端口是26379

●数据节点∶主节点和从节点都是数据节点。

哨兵的工作模式和故障转移机制

*所有哨兵都会监控节点,哨兵之间会共享服务器的状态数据,对整个集群实现监控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

1. 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、从节点及其它哨兵节点发送一次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)。将进行投票判断,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

 

2. 当主节点出现故障,通知哨兵间通过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。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点。

 

3.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,让其它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。

#主观下线:当某个哨兵认为节点宕机,是主观下线

#客观下线:当所有哨兵投票后票数过半后确认宕机为客观下线,然后就会执行故障的切换等过程

主节点的选举

1.过滤掉不健康的(已下线的),没有回复哨兵 ping 响应的从节点。

2.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)3.选择复制偏移量最大,也就是复制最完整的从节点。

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

搭建Redis哨兵模式

实验准备

服务器

IP地址

操作系统

安装的服务和工具

Master节点

192.168.150.5 

CentOS 7

redis-5.0.7.tar.gz

Slave1节点

192.168.150.10 

CentOS 7

redis-5.0.7.tar.gz

Slave2节点

192.168.150.15

CentOS 7

redis-5.0.7.tar.gz

配置思路

1关闭防火墙,编译安装好redis服务器

(2)所有服务器配置哨兵模式,更改监控主节点IP,名称,以及故障判断

(3)后台启动哨兵模式,查看哨兵信息是否正常启动并进行简单的故障模拟

1. 安装3台redis服务器(从服务器和主服务器之间需要配置好主从复制)

systemctl stop firewalld

setenforce 0

2. 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

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 192.168.150.5 6379 2   #84行,修改指定该哨兵节点监控192.168.80.10:6379这个主节点,该主节点的名称是mymaster自定义,与后面配置一致即可,最后的2的含义与主节点的故障判定有关∶至少需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 3000      #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,故障节点切换的最大超时时间为180000超时判断切换失败(180秒)

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3. 启动哨兵模式

#先启master,再启slave

cd /opt/redis-5.0.7/

redis-sentinel sentinel.conf &                                   #后台启动

4. 查看哨兵信息

[root@localhost ~]# 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=192.168.150.5:6379,slaves=2,sentinels=3

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5. 故障模拟

#查看redis-server进程号

ps -ef | grep redis 

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#杀死 Master 节点上redis-server的进程

kill -9 16494                           #Master节点上redis-server的进程号

cd /var/run/                          #还需删除设置在该路径下的redis服务的PID文件

rm -f redis_6379.pid

#验证结果

tail -f /var/log/sentinel.log

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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。

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负载均衡,大大提高了集群的响应能力。

Bedis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。

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

 

Redis集群的工作过程

创建或读取Key通过CRC16校验后得出一个数,用该数字除以16384取余通过余数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储或读操作

 

Redis集群的主从复制模型

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

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

 

Redis 群集模式配置

redis的集群一般需要6个节点,3主3从。

为了实验方便,这里所有节点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∶6111/6222/6333,

3个从节点端口号∶6444/6555/6666

1. 新建6个redis配置文件的目录

cd /etc/redis/

mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}

Redis高可用集群(主从复制,哨兵,cluster集群)

#使用for循环将redis解压的目录中的配置文件和启动工具和命令行工具复制过来

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

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2. 开启群集功能

#其他5个文件夹的配置文件以此类推修改,注意6个端口都要不一样。

cd /etc/redis/redis-cluster/redis6001

vim redis.conf

#bind 127.0.0.1                                    #69行,注释掉bind 项,默认监听所有网卡

protected-mode no                             #88行,修改关闭保护模式

port 6111                                              #92行,修改redis监听端口

daemonize yes                                    #136行,开启守护进程, 以独立进程启动

cluster-enabled yes                            #832行,取消注释,开启群集功能

cluster-config-file nodes-6001.conf   #840行,取消注释,群集名称文件设置

cluster-node-timeout 15000               #846行,取消注释群集超时时间设置

appendonly yes                                   #699行,开启AOF持久化

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3. 启动所有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

cd /etc/redis/redis-cluster/redis6001

redis-server redis.conf

 

for d in {1..6}

do

cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$d

redis-server redis.conf

done

 

ps -ef | grep redis

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4. 启动集群

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6111 127.0.0.1:6222 127.0.0.1:6333 127.0.0.1:6444 127.0.0.1:6555 127.0.0.1:6666 --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 才可以创建按照顺序前面3为主后面三个为从

--cluster-replicas 1表示进集群每个主节点有1个从节点。

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5. 测试群集

redis-cli -p 6111 -c

#加-c参数,允许节点之间可以互相自动跳转

127.0.0.1:6111> cluster slots                    #查看节点的哈希槽编号范围

Redis高可用集群(主从复制,哨兵,cluster集群)

#创建一个key,会通过CRC16校验后创建到某个master服务器,并且会自动跳转到该服务器

127.0.0.1:6111> set a 1           

-> Redirected to slot [15495] located at 127.0.0.1:6333

OK

127.0.0.1:6333> cluster keyslot a                                   #查看key对应的哈希槽

(integer) 15495

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#在别的master服务器是没有存储刚刚创建的key的数据,但如果查询key的值是会自动跳转到该key存在的master服务器上并进行执行

[root@dd ~]# redis-cli -p 6111 -c

127.0.0.1:6111> keys *                               #别的master服务器并不存储该key

(empty list or set)

127.0.0.1:6111>get a                                 #获取key值会提示该key对应的哈希槽和存储的服务器

-> Redirected to slot [15495] located at 127.0.0.1:6333

"1"

127.0.0.1:6333>

#如果在key对应的组里的从服务器上是可以查看到该key的存在,但执行读取操作依然会跳到主服务器上,因为从服务器主做主服务器的状态信息和数据的复制

[root@dd ~]# redis-cli -p 6666 -c

127.0.0.1:6666> keys *                     #可以查看到存储了该key的数据

1) "a"

127.0.0.1:6666> get a                    #执行读取操作依然会跳到主服务器

-> Redirected to slot [15495] located at 127.0.0.1:6333

"1"

127.0.0.1:6333> 

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#故障切换及恢复

ps -ef | grep redis

kill 56201

redis-cli -p 6222 -c

127.0.0.1:6222> cluster slots

#如果之前宕机的主服务器恢复不会对现在的新的主服务器进行抢占,而是成为该哈希槽范围内的从服务器

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