Redis高可用（主从复制、哨兵模式）详解

Redis是一种高性能的键值存储系统，能够通过多种机制来实现高可用性，这些机制主要包括主从复制（Replication）和哨兵模式（Sentinel）。

Redis 主从复制（Replication）

一、主从复制简介

Redis的主从复制是一种实现数据冗余和读写分离的机制，通过将数据从主节点（Master）复制到一个或多个从节点（Slave），确保系统中有多个副本以提高数据可靠性和读取性能。

二、工作原理

1. 主节点和从节点

• 主节点（Master）：处理所有的写操作，并将数据变化传播到从节点。

• 从节点（Slave）：复制主节点的数据，并提供只读访问。当主节点发生变化时，从节点会同步这些变化。

2. 数据传输方式：异步复制

• Redis的主从复制主要是异步的，即主节点在完成写操作后并不等待从节点的确认。
• 从节点会周期性地向主节点请求同步数据。

三、主从复制过程

1. 初次同步（全量复制）

当一个从节点第一次连接到主节点或重新连接时，会进行全量复制：

1. 从节点发送同步命令：从节点向主节点发送PSYNC命令，请求同步数据。
2. 主节点生成RDB文件：主节点执行一个后台保存操作（BGSAVE），并生成一个新的RDB快照文件。
3. 主节点发送RDB文件：生成的RDB文件通过网络发送到从节点，从节点接收后加载到内存中。

4. 主节点发送缓冲区数据：在主节点生成RDB文件期间，所有写操作的命令会被暂存在缓冲区中。RDB文件发送完毕后，这些缓冲区中的命令会被依次发送给从节点。
5. 从节点应用命令：从节点将接收到的增量命令应用到自身的数据集中，以保持与主节点的数据一致。
   

2. 增量同步（部分复制）

在全量复制之后，主从节点之间进行的是增量同步，也称为部分复制：

1. 增量复制：主节点将所有新的写操作命令发送给从节点。
2. 命令传播：主节点会对每个写操作生成相应的Redis命令，并通过复制流发送给从节点。
3. 从节点执行命令：从节点接收到命令后，立即执行这些命令来更新自身数据。

3. 断线重连

• 在网络故障或其他原因导致主从断线时，从节点会自动尝试重新连接主节点。
• 如果重新连接成功，并且主节点的复制积压缓冲区（Replication Backlog）中仍然有未发送给从节点的数据，则可以进行部分复制，避免重新进行全量复制。

四、配置步骤

1. 主节点配置

主节点不需要特别配置，只需启动一个Redis实例即可。

2. 从节点配置

在从节点的配置文件（redis.conf）（永久的）中，设置以下参数：

replicaof <master-ip> <master-port>

如果主节点的IP地址为192.168.1.100，端口为6379，配置如下：

replicaof 192.168.1.100 6379

或者在从节点运行时（暂时的）使用命令：

SLAVEOF 192.168.1.100 6379

五、复制细节和优化

1. 复制积压缓冲区（Replication Backlog）

• 定义：这是一个固定大小的环形缓冲区，用于存储最近的写操作命令。

• 作用：在从节点短时间断开后重连时，可以利用缓冲区中的数据进行部分复制，避免全量复制。
• 配置：可以通过repl-backlog-size参数设置缓冲区大小。

2. 心跳机制

• 作用：保持主从节点之间的连接存活，并监控复制状态。
• 机制：从节点周期性地发送PING命令给主节点，主节点响应PONG。如果主节点长时间没有收到从节点的心跳，会标记该从节点为失效。

3. 复制延迟

• 定义：从节点同步数据的速度可能会滞后于主节点，产生延迟。
• 原因：网络状况、从节点负载等。
• 监控：可以通过INFO replication命令查看复制延迟。

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二、Redis哨兵模式（Sentinel）

Redis Sentinel是一个健壮的分布式系统，其中多个Sentinel需要就给定的主节点不再可用的事实达成一致。然后，故障转移过程开始选择一个新的主节点。

一、工作原理

哨兵模式通过一组哨兵进程来监控主从结构的健康状态，确保系统的自动化故障转移和通知功能。

哨兵（Sentinel）是一个重要的组件，负责监控Redis集群中的主节点（Master）和从节点（Slave），并在主节点失效时自动进行故障转移。

1. 监控

• 哨兵群集：通常由多个哨兵节点组成，它们通过选举形成一个领导者，负责执行监控任务。
• 监控对象：哨兵节点定期向Redis主节点和从节点发送PING命令，检查它们是否可达。

2. 故障检测

• 主节点失效检测：当哨兵节点检测到主节点不可达时，会将其标记为下线。
• 从节点失效检测：如果一个从节点失效，哨兵会通知主节点，并在必要时将其重新配置为新的从节点。

3. 故障转移

• 选举领导者：哨兵群集中的哨兵会进行选举，选择一个哨兵作为领导者负责执行故障转移操作。

• 选举条件：通过Raft算法进行选举，选举条件包括优先级、运行ID等。

4. 自动故障转移

• 故障转移过程：
  • 哨兵检测到主节点失效后，从当前的从节点中选举一个升级为新的主节点。
  • 哨兵更新集群中其他从节点的配置，使它们成为新主节点的从节点。
  • 客户端和应用可以通过哨兵的监听地址连接到新的主节点。

5. 手动故障转移

• 手动干预：管理员可以通过哨兵提供的命令手动触发故障转移过程，以便在维护期间进行控制和调整。

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二、哨兵选举机制

在Redis Sentinel中，选举机制是确保在主节点（Master）失效后，哨兵群集能够协作选举出一个新的主节点的关键过程。

1. 哨兵领导者选举

Redis Sentinel中的哨兵节点在运行时会进行领导者选举，领导者负责执行故障检测和故障转移操作。选举过程基于Raft算法的思想，但具体实现可能有所不同。

• 哨兵运行ID（runid）：每个哨兵节点在启动时生成一个唯一的runid，用于标识该哨兵节点的身份。

• 优先级（priority）：哨兵节点可以配置一个优先级，用于决定在选举领导者时的重要性。

选举条件：

• 单一领导者：在任何时刻，哨兵群集中应该只有一个领导者，以确保操作的一致性和可靠性。

• 运行ID比较：哨兵根据各自的运行ID来决定谁应该成为领导者。通常，具有最新运行ID的哨兵会有更高的优先级。

• 优先级考量：如果多个哨兵具有相同的运行ID，优先级较高的哨兵将更有可能被选为领导者。

2. 主节点故障后的选举过程

当哨兵检测到Redis的主节点失效时，选举新的主节点的过程通常如下：

• 哨兵检测失效：一旦哨兵节点检测到主节点不可用（例如通过心跳检测），它会开始选举新的主节点。

• 选举领导者：哨兵群集中的哨兵节点开始通信，以决定哪一个哨兵节点将负责执行故障转移。通常，哨兵节点会互相通信，比较彼此的优先级和运行ID来决定新的领导者。

• 执行故障转移：一旦新的领导者选举出来，它将负责将一个从节点提升为新的主节点，并更新其他哨兵节点和从节点的配置，确保整个Redis集群能够继续工作。

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