Redis集群三种模式-编程知识

一、Redis集群的三种模式

Redis有三种模式，分别是主从复制、哨兵模式、cluster

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。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。

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。

二、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)，口百例为从节点(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。

2.1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几余方式。

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。

2.2 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，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有到硬盘上，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。

主从复制、SYNC同步：

1.从Redis服务器启动，向主服务器发送SYNC同步数据请求
2.主redis会fork一个子进程，然后产生出一个RDB文件（完全备份的过程）
客户端还在持续写入redis
3.RDB文件持久化完后，主Redis会将RDB文件和缓存起来的命令推送给服务器
4.复制、推送完成后，主Redis会持续同步操作命令，利用AOF增备的部分做持久化功能
5.在下一台从Redis接入主从复制的集群之前，会持续利用AOF的方式同步数据给从Redis

2.3 Redis主从复制搭建

2.3.1 环境配置

主机	操作系统	IP地址	软件/安装包/工具
master	CentOS7	192.168.200.12	redis-5.0.7.tar.gz
slave1	CentOS7	192.168.200.13	redis-5.0.7.tar.gz
slave2	CentOS7	192.168.200.14	redis-5.0.7.tar.gz

2.3.2 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/

2.3.3 修改Master节点Redis配置文件【192.168.200.12】

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

2.3.4 修改Master节点Redis配置文件【192.168.200.13和192.168.200.14】

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 192.168.10.27 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

2.3.5 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=192.168.200.13,port=6379,state=online,offset=476,lag=1
slave1:ip=192.168.200.14,port=6379,state=online,offset=476,lag=1

三、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器不可用。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

3.1 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三个节点。【哨兵必须是奇数】

3.2 哨兵模式的作用

监控： 哨兵会不断地检测主节点和从节点是否运行正常。
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，她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：哨兵系统由一个或者多个哨兵节点组成，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。

3.3 故障转移机制

1️⃣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、从节点以及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）。
        当超过一半哨兵节点认为该主节点主观下线了，这样就是客观下线了。
        2️⃣ 当主节点出现故障时，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。

3️⃣ 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，让其他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时，被哨兵主观线下后，不会再有后续的客观下线和故障转移操作。

故障转移： 就相当于一个黑帮社会，里面会有几个分社老大，然后有一个最大的老大，定期去最大的老大那里开会，如果最大的老大犯了错被开了，由其余的分老大代替了，那么即使后期这个原本的最大的老大想恢复原身份，不能够直接恢复，也是需要选举的。

主节点的选举：

1.过滤掉不健康的（已经下线的），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，也就是复制最完美的从节点。

哨兵的启动依赖于主从模式，所以必须把主从模式安装好的情况下再去做哨兵模式。

3.4 哨兵模式的搭建

3.4.1 环境准备

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	192.168.200.12	redis-5.0.7.tar.gz
slave1	CentOS7	192.168.200.13	redis-5.0.7.tar.gz
slave2	CentOS7	192.168.200.14	redis-5.0.7.tar.gz

3.4.2 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 192.168.10.27 6379 2   #84行，修改指定该哨兵节点监控192.168.10.27:6379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）

3.4.3 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

3.4.4 故障模式

查看redis-server进程号

[root@master ~]# ps aux | grep redis
avahi 6123 0.0 0.1 62276 2076 ? Ss 15:07 0:00 avahi-daemon: running [redis.local]
root 9917 0.1 0.4 156452 7860 ? Ssl 18:46 0:06 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root 10707 0.2 0.4 153892 7828 ? Ssl 19:58 0:01 redis-sentinel *:26379 [sentinel]
root 10934 0.0 0.0 112728 988 pts/0 S+ 20:08 0:00 grep --color=auto redis

[1]+ 完成 redis-sentinel sentinel.conf

杀死 Master 节点上redis-server的进程号

kill -9 29342 #Master节点上redis-server的进程号

3.4.5 验证结果

tail -f /var/log/sentinel.log

redis-cli -p 26379 INFO Sentinel

四、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。

4.1 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。

4.2 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