NoSQL之Redis集群--主从复制、哨兵模式、群集模式

一、三大高可用方案

二、Redis 主从复制

1.主从复制的作用

2.主从复制流程

3.搭建Redis 主从复制

三、Redis 哨兵模式

1.哨兵的核心功能

2.哨兵模式的作用

3.哨兵结构组成

4.故障转移机制

5.主节点的选举

6.搭建Redis 哨兵模式

四、Redis 群集模式

1.概念

2.集群的作用

3.Redis集群的数据分片

4.Redis集群的主从复制模型

5. 搭建Redis 群集模式

一、三大高可用方案

●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)，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。

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。

2.主从复制流程

1）首次同步：当从节点要进行主从复制时，它会发送一个SYNC命令给主节点。主节点收到SYNC命令后，会执行BGSAVE命令来生成RDB快照文件，并在生成期间使用缓冲区记录所有写操作。
2）快照传输：当主节点完成BGSAVE命令并且快照文件准备好后，将快照文件传输给从节点。主节点将快照文件发送给从节点，并且在发送过程中，主节点会继续将新的写操作缓冲到内存中。
3）追赶复制：当从节点收到快照文件后，会加载快照文件并应用到自己的数据集中。一旦快照文件被加载，从节点会向主节点发送一个PSYNC命令，以便获取缓冲区中未发送的写操作。
4）增量复制：主节点收到PSYNC命令后，会将缓冲区中未发送的写操作发送给从节点，从节点会执行这些写操作，保证与主节点的数据一致性。此时，从节点已经追赶上了主节点的状态。
5）同步：从节点会继续监听主节点的命令，并及时执行主节点的写操作，以保持与主节点的数据同步。主节点会定期将自己的操作发送给从节点，以便从节点保持最新的数据状态.

注意:当slave首次同步或者宕机后恢复时，会全盘加载，以追赶上大部队，即全量复制

3.搭建Redis 主从复制

Master节点：192.168.10.120
Slave1节点：192.168.10.121
Slave2节点：192.168.10.122

-------------安装 Redis------------------------
//环境准备

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
sed -i 's/enforcing/disabled/' /etc/selinux/config

#修改内核参数

vim /etc/sysctl.conf
vm.overcommit_memory = 1
net.core.somaxconn = 2048sysctl -p

//安装redis

yum install -y gcc gcc-c++ maketar zxvf /opt/redis-7.0.13.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-7.0.13
make
make PREFIX=/usr/local/redis install

注意：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。

#创建redis工作目录

mkdir /usr/local/redis/{conf,log,data}cp /opt/redis-7.0.13/redis.conf /usr/local/redis/conf/useradd -M -s /sbin/nologin redis
chown -R redis.redis /usr/local/redis/

#环境变量

vim /etc/profile 
PATH=$PATH:/usr/local/redis/bin        #增加一行source /etc/profile

//定义systemd服务管理脚本

vim /usr/lib/systemd/system/redis-server.service[Unit]
Description=Redis Server
After=network.target[Service]
User=redis
Group=redis
Type=forking
TimeoutSec=0
PIDFile=/usr/local/redis/log/redis_6379.pid
ExecStart=/usr/local/redis/bin/redis-server /usr/local/redis/conf/redis.conf
ExecReload=/bin/kill -s HUP $MAINPID
ExecStop=/bin/kill -s QUIT $MAINPID
PrivateTmp=true[Install]
WantedBy=multi-user.target

-----修改 Redis 配置文件（Master节点操作）-----

vim /usr/local/redis/conf/redis.confbind 0.0.0.0                                    #87行，修改监听地址为0.0.0.0
protected-mode no                                #111行，将本机访问保护模式设置no
port 6379                                        #138行，Redis默认的监听6379端口
daemonize yes                                    #309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid        #341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"    #354行，指定日志文件
dir /usr/local/redis/data                        #504行，指定持久化文件所在目录
#requirepass abc123                                #1037行，可选，设置redis密码
appendonly yes                                    #1380行，开启AOFsystemctl restart redis-server.service

-----修改 Redis 配置文件（Slave节点操作）-----

vim /usr/local/redis/conf/redis.confbind 0.0.0.0                                    #87行，修改监听地址为0.0.0.0
protected-mode no                                #111行，将本机访问保护模式设置no
port 6379                                        #138行，Redis默认的监听6379端口
daemonize yes                                    #309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6379.pid        #341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6379.log"    #354行，指定日志文件
dir /usr/local/redis/data                        #504行，指定持久化文件所在目录
#requirepass abc123                                #1037行，可选，设置redis密码
appendonly yes                                    #1380行，开启AOF
replicaof 192.168.10.120 6379                    #528行，指定要同步的Master节点IP和端口
#masterauth abc123                                #535行，可选，指定Master节点的密码，仅在Master节点设置了requirepasssystemctl restart redis-server.service

-----验证主从效果-----
在Master节点上看日志：

tail -f /usr/local/redis/log/redis_6379.log Replica 192.168.10.121:6379 asks for synchronization
Replica 192.168.10.122:6379 asks for synchronization
Synchronization with replica 192.168.10.121:6379 succeeded
Synchronization with replica 192.168.10.122:6379 succeeded

在Master节点上验证从节点：

redis-cli info replication# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=192.168.10.121,port=6379,state=online,offset=42,lag=0
slave1:ip=192.168.10.122,port=6379,state=online,offset=42,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。

1.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。

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。

3.哨兵结构组成

●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。

4.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）。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。

注意: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。

5.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

注意：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节点。

6.搭建Redis 哨兵模式

---------------------搭建Redis 哨兵模式 ----------------------------
Master节点：192.168.10.120
Slave1节点：192.168.10.121
Slave2节点：192.168.10.122

systemctl stop firewalld
setenforce 0

-----修改 Redis 哨兵模式的配置文件（所有节点操作）-----

cp /opt/redis-7.0.13/sentinel.conf /usr/local/redis/conf/
chown redis.redis /usr/local/redis/conf/sentinel.confvim /usr/local/redis/conf/sentinel.conf
protected-mode no                                    #6行，关闭保护模式
port 26379                                            #10行，Redis哨兵默认的监听端口
daemonize yes                                        #15行，指定sentinel为后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis-sentinel.pid        #20行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/sentinel.log"            #25行，指定日志存放路径
dir /usr/local/redis/data                            #54行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.10.120 6379 2        #73行，修改 指定该哨兵节点监控192.168.10.120:6379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 auth-pass mymaster abc123                    #76行，可选，指定Master节点的密码，仅在Master节点设置了requirepass
sentinel down-after-milliseconds mymaster 3000        #114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            #214行，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）

-----启动哨兵模式-----
先启master，再启slave

cd /usr/local/redis/conf/
redis-sentinel sentinel.conf &

-----查看哨兵信息-----

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=192.168.10.120:6379,slaves=2,sentinels=3

-----故障模拟-----
#查看redis-server进程号：

ps -ef | grep redis
root      57031      1  0 15:20 ?        00:00:07 /usr/local/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root      57742      1  1 16:05 ?        00:00:07 redis-sentinel *:26379 [sentinel]
root      57883  57462  0 16:17 pts/1    00:00:00 grep --color=auto redis

#杀死 Master 节点上redis-server的进程号

kill -9 67036            #Master节点上redis-server的进程号

#验证结果

tail -f /usr/local/redis/log/sentinel.log6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.517 # +sdown master mymaster 192.168.80.10 6379
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.594 * Sentinel new configuration saved on disk
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.594 # +new-epoch 1
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.595 * Sentinel new configuration saved on disk
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.595 # +vote-for-leader c64fac46fcd98350006900c330998364d6af635d 1
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.620 # +odown master mymaster 192.168.10.120 6379 #quorum 2/2
6709:X 13 Mar 2023 12:27:29.621 # Next failover delay: I will not start a failover before Mon Mar 13 12:33:30 2023
6709:X 13 Mar 2023 12:27:30.378 # +config-update-from sentinel c64fac46fcd98350006900c330998364d6af635d 192.168.80.11 26379 @ mymaster 192.168.80.10 6379
6709:X 13 Mar 2023 12:27:30.378 # +switch-master mymaster 192.168.80.10 6379 192.168.80.11 6379
6709:X 13 Mar 2023 12:27:30.378 * +slave slave 192.168.80.13:6379 192.168.80.13 6379 @ mymaster 192.168.80.11 6379
6709:X 13 Mar 2023 12:27:30.378 * +slave slave 192.168.10.120:6379 192.168.80.10 6379 @ mymaster 192.168.80.11 6379
6709:X 13 Mar 2023 12:27:30.381 * Sentinel new configuration saved on disk
6709:X 13 Mar 2023 12:27:33.379 # +sdown slave 192.168.80.10:6379 192.168.80.10 6379 @ mymaster 192.168.80.11 6379

测试

redis-cli -p 26379 INFO Sentinel# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_tilt_since_seconds:-1
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.80.11:6379,slaves=2,sentinels=3

四、Redis 群集模式

1.概念

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

集群由多组节点(Node)组成，Redis的数据分布在这些节点组中。节点组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。

2.集群的作用

1）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）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组节点，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。

3.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）
集群的每组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

4.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。

5. 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：6001/6002/6003，对应的从节点端口号：6004/6005/6006。

cd /usr/local/redis/
mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}for i in {1..6}
do
cp /opt/redis-7.0.9/redis.conf /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-7.0.9/src/redis-cli /opt/redis-7.0.9/src/redis-server /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$i
done

#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 /usr/local/redis/redis-cluster/redis6001
vim redis.conf
#bind 127.0.0.1                                    #87行，注释掉bind项，默认监听所有网卡
protected-mode no                                #111行，关闭保护模式
port 6001                                        #138行，修改redis监听端口
daemonize yes                                    #309行，设置为守护进程，后台启动
pidfile /usr/local/redis/log/redis_6001.pid        #341行，指定 PID 文件
logfile "/usr/local/redis/log/redis_6001.log"    #354行，指定日志文件
dir ./                                            #504行，指定持久化文件所在目录
appendonly yes                                    #1379行，开启AOF
cluster-enabled yes                                #1576行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6001.conf                #1584行，取消注释，群集名称文件设置
cluster-node-timeout 15000                        #1590行，取消注释群集超时时间设置

#启动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 /usr/local/redis/redis-cluster/redis6001
redis-server redis.conffor d in {1..6}
do
cd /usr/local/redis/redis-cluster/redis600$d
./redis-server redis.conf
doneps -ef | grep redis

#启动集群

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6001 127.0.0.1:6002 127.0.0.1:6003 127.0.0.1:6004 127.0.0.1:6005 127.0.0.1:6006 --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。
--replicas 1 表示每个主节点有1个从节点。

#测试群集

redis-cli -p 6001 -c                    #加-c参数，节点之间就可以互相跳转
127.0.0.1:6001> cluster slots            #查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 54612) (integer) 10922                                    #哈希槽编号范围3) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 6003                                    #主节点IP和端口号3) "fdca661922216dd69a63a7c9d3c4540cd6baef44"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 6004                                    #从节点IP和端口号3) "a2c0c32aff0f38980accd2b63d6d952812e44740"
2) 1) (integer) 02) (integer) 54603) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60013) "0e5873747a2e26bdc935bc76c2bafb19d0a54b11"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60063) "8842ef5584a85005e135fd0ee59e5a0d67b0cf8e"
3) 1) (integer) 109232) (integer) 163833) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60023) "816ddaa3d1469540b2ffbcaaf9aa867646846b30"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60053) "f847077bfe6722466e96178ae8cbb09dc8b4d5eb"127.0.0.1:6001> set name zhangsan
-> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:6003
OK