Redis 高可用

什么是高可用

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

Redis的高可用技术

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（和同步），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；存储能力受到单机的限制。

• 哨兵： 在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。（主挂了，找一个从成为新的主，哨兵节点进行监控）

  • 缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。

• 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，实现了较为完善的高可用方案。（6台起步，成双成对，3主3从）

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

搭建Redis主从复制

实验环境：

主从	虚机	IP地址
master	centos7-1	192.168.137.10
slave1	centos7-2	192.168.137.20

实验步骤

所有节点安装Redis

#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
#安装环境依赖包，下载编译工具
yum install -y gcc gcc-c++ make
​
#上传软件包并解压
cd /opt/
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
#开2核编译安装，指定安装路径为/usr/local/redis
make -j2 && make PREFIX=/usr/local/redis install
#由于Redis源码包中直接提供了Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行./configure 进行配置，可直接执行make与make install命令进行安装。
​
#执行软件包提供的install_server.sh 脚本文件，设置Redis服务所需要的相关配置文件
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
.......#一直回车
Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server
#这里默认为/usr/local/bin/redis-server，需要手动修改为/usr/local/redis/bin/redis-server，注意要一次性正确输入
​
 ---------------------- 虚线内是注释 ----------------------------------------------------
 Selected config:
 Port: 6379                                      #默认侦听端口为6379
 Config file: /etc/redis/6379.conf               #配置文件路径
 Log file: /var/log/redis_6379.log               #日志文件路径
 Data dir : /var/lib/redis/6379                  #数据文件路径
 Executable: /usr/local/redis/bin/redis-server   #可执行文件路径
 Cli Executable : /usr/local/bin/redis-cli       #客户端命令工具
 -----------------------------------------------------------------------------------
​
#当install_server.sh 脚本运行完毕，Redis 服务就已经启动，默认监听端口为6379
netstat -natp | grep redis
​
#把redis的可执行程序文件放入路径环境变量的目录中，便于系统识别
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
​
#Redis服务控制
/etc/init.d/redis_6379 stop     #停止
/etc/init.d/redis_6379 start    #启动
/etc/init.d/redis_6379 restart  #重启
/etc/init.d/redis_6379 status   #查看状态

 修改master节点的配置文件

vim /etc/redis/6379.conf 
 bind 0.0.0.0                      #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
 daemonize yes                     #137行，开启守护进程，后台启动 
 logfile /var/log/redis_6379.log   #172行，指定日志文件存放目录
 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     #重启redis服务

 修改slave节点的配置文件

#修改slave1的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf 
 bind 0.0.0.0                        #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
 daemonize yes                       #137行,开启守护进程，后台启动
 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 192.168.137.10 6379       #288行,指定要同步的Master节点的IP和端口
 appendonly yes                      #700行,修改为yes，开启AOF持久化功能

​
/etc/init.d/redis_6379 restart  #重启redis
netstat -natp | grep redis      #查看主从服务器是否已建立连接

  验证主从效果

主节点查看日志，并插入一条数据

[root@192 utils]# tail /var/log/redis_6379.log 
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Reading RDB base file on AOF loading...
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Loading RDB produced by version 7.0.9
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB age 32 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB memory usage when created 0.82 Mb
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB is base AOF
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Done loading RDB, keys loaded: 0, keys expired: 0.
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * DB loaded from base file appendonly.aof.1.base.rdb: 0.000 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * DB loaded from append only file: 0.000 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Opening AOF incr file appendonly.aof.1.incr.aof on server start
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Ready to accept connections
[root@192 utils]# redis-cli
127.0.0.1:6379> set name cxk
OK
127.0.0.1:6379> kes *
(error) ERR unknown command 'kes', with args beginning with: '*' 
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"cxk"

 从节点查看

 Redis哨兵模式

主从切换技术的方法是：当服务器宕机后，需要手动一台从机切换为主机，这需要人工干预，不仅费时费力而且还会造成一段时间内服务不可用。为了解决主从复制的缺点，就有了哨兵机制。

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，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其它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

 哨兵结构

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

故障转移机制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秒会问主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心检测。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）。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，此时哨兵节点会通过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

主节点的选举

1.过滤掉不健康的（己下线的），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

实验环境：

节点	虚机	IP地址
master	centos7-1	192.168.137.10
slave1	centos7-2	192.168.137.15
slave2	centos7-3	192.168.137.20
Sentinel-1	centos7-4	192.168.137.30
Sentinel-2	centos7-5	192.168.137.40
Sentinel-3	centos7-6	192.168.137.50

生产环境中使用对应数量节点的服务器作为哨兵节点，实验环境中如果电脑性能不够可以把哨兵搭建在原虚机上

实验步骤

所有节点安装Redis

master和slave部署Redis主从复制

修改Sentinel-1的配置文件，之后scp传给另外2个哨兵节点

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
......
protected-mode no                #17行，取消注释，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，指定日志文件存放路径
dir "/var/lib/redis/6379"        #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.137.10 6379 2  #84行，修改
#指定该哨兵节点监控192.168.121.10:6379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 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，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）
​
#传给两外2个哨兵节点
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.137.40:/opt/redis-5.0.7/
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf  192.168.137.50:/opt/redis-5.0.7/

启动哨兵模式（所有哨兵节点操作）

#启动三台哨兵
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &

查看哨兵信息

#在哨兵节点查看
[root@localhost ~]# redis-cli -p 26379 info Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1     #一台主节点
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.137.10:6379,slaves=2,sentinels=3
#可以看到主节点地址，2台从节点，3台哨兵

模拟故障

#在Master 上查看redis-server进程号:
[root@localhost ~]# ps -ef | grep redis
root      71245      1  0 6月19 ?       00:00:05 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root      71983  66681  0 00:59 pts/1    00:00:00 grep --color=auto redis
​
#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# kill -9 71245        #Master节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# netstat -natp | grep redis
​
#在哨兵上查看日志，验证master是否切换至从服务器
[root@localhost redis-5.0.7]# tail -f /var/log/sentinel.log
7084:X 20 Jun 2022 00:46:58.869 * +sentinel sentinel ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 192.168.137.40 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 00:47:56.595 * +sentinel sentinel d59ba9daf957b704715feeee3c53bd1bf8b3a5d8 192.168.137.50 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.484 # +sdown master mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.561 # +new-epoch 1
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.561 # +vote-for-leader ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 1
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.476 # +config-update-from sentinel ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 192.168.137.40 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.476 # +switch-master mymaster 192.168.137.10 6379 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.477 * +slave slave 192.168.137.15:6379 192.168.137.15 6379 @ mymaster 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.477 * +slave slave 192.168.137.10:6379 192.168.137.10 6379 @ mymaster 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:02:04.493 # +sdown slave 192.168.137.10:6379 192.168.137.10 6379 @ mymaster 192.168.137.20 6379
​
​
#在哨兵上查看主节点是否切换成功
[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=192.168.137.20:6379,slaves=2,sentinels=3

Redis 集群模式

集群，即Redis Cluster，是Redis3.0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，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。

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，实现了较为完善的高可用方案。

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

集群模式的主从复制模型

• 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位为主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用

搭建 Redis 集群

实验步骤：

所有节点安装Redis

开启集群功能

cd /opt/redis-5.0.7/
vim redis.conf
......
bind 192.168.137.10                       #69行，修改为监听自己的物理网卡IP
protected-mode no                         #88行，修改为no，关闭保护模式
port 6379                                 #92行，redis默认监听端口
daemonize yes                             #136行，开启守护进程，以独立进程启动
appendonly yes                            #700行，修改为yes，开启AOF持久化
cluster-enabled yes                       #832行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6379.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
​
​
#将文件传给另外5个节点，之后每个节点要修改监听地址为自己的IP
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.15:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.20:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.30:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.40:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.50:`pwd`

所有节点启动redis服务

cd /opt/redis-5.0.7/
redis-server redis.conf   #启动redis节点

 启动集群

在任意一个节点启动集群即可。

redis-cli --cluster create 192.168.137.10:6379 192.168.137.15:6379 192.168.137.20:6379 192.168.137.30:6379 192.168.137.40:6379 192.168.137.50:6379 --cluster-replicas 1
#六个主机分为三组，三主三从，前面的做主节点后面的做从节点下免交互的时候需要输入yes才可以创建 "-replicas 1"表示每个主节点有一个从节点
#前三台为Master，后三台为Slave

测试集群

#加-c参数，节点之间就可以互相跳转  
redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c 
#查看节点的哈希槽编号范围
cluster slots    
#赋值
set name yuji
#查看键的哈希槽编号  
cluster keyslot 键名
​
​
[root@mas ~]# redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c
192.168.121.10:6379> cluster slots      #查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 10923         #第一对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 16383
   3) 1) "192.168.137.15"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "5f117a3e204d1d6f6dc924ad8b39034a8e9f3261"
   4) 1) "192.168.137.30"     #从节点
      2) (integer) 6379
      3) "4a05a086eec06fa4da58b15512d1c81184bc5ee5"
2) 1) (integer) 5461          #第二对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 10922
   3) 1) "192.168.121.20"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "3008bba29dfbf342bc448ba3062b0a331c8d009e"
   4) 1) "192.168.137.50"     #从节点
      2) (integer) 6379
      3) "ee61a4709d6420bb540b2c28218fdd2dfe358b7a"
3) 1) (integer) 0             #第三对主从的哈希槽编号范围
   2) (integer) 5460
   3) 1) "192.168.137.10"     #主节点
      2) (integer) 6379
      3) "d1ddb554b3edaebefa6672b2f1f8171393e1f7f3"
   4) 1) "192.168.137.40"     #从节点 
      2) (integer) 6379
      3) "71e1f705ce01ca31ab16fa3cf07d7e6cbfab5978"
192.168.121.10:6379>
​
​
#在10节点新建name键，会自动跳转到20节点进行存放     
192.168.121.10:6379> set name yuji  
-> Redirected to slot [5798] located at 192.168.137.15:6379
OK
192.168.121.20:6379> cluster keyslot name    #查看name键的哈希槽编号
(integer) 5798
192.168.121.20:6379> quit       #退出数据库
[root@mas ~]# redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c     #重新登录10节点
192.168.121.10:6379> keys *     #10节点中没有name键
(empty list or set)
192.168.121.10:6379> get name    #查看name键的值，会根据键的哈希槽编号自动跳转到20节点进行获取
-> Redirected to slot [5798] located at 192.168.137.15:6379
"yuji"
192.168.121.20:6379>            #已跳转到20节点
​