Redis从入门到深入-主从复制(22)

1. 主从复制简介

1.1 互联网“三高”架构
  • 高并发
  • 高性能
  • 高可用

Redis从入门到深入-主从复制(22)

1.2 Redis是否高可用
  1. 单机redis的风险与问题
  • 问题1.机器故障

    • 现象:硬盘故障、系统崩溃
    • 本质:数据丢失,很可能对业务造成灾难性打击
    • 结论:基本上会放弃使用redis.
  • 问题2.容量瓶颈

    • 现象:内存不足,从16G升级到64G,从64G升级到128G,无限升级内存
    • 本质:穷,硬件条件跟不上
    • 结论:放弃使用redis
  • 结论

    为了避免单点redis服务器故障, 准备多台服务器, 互相连通。将数据复制多个副本保存在不同的服
    务器上,连接在一起,并保证数据是同步的。即使有其中一台服务器宕机,其他服务器依然可以继续
    提供服务, 实现redis的高可用, 同时实现数据冗余备份。

1.3 多台服务器连接方案
  • 提供数据方:master

    主服务器,主节点,主库
    主客户端

  • 接收数据方:slave

    从服务器,从节点,从库
    从客户端

  • 需要解决的问题:

    数据同步

  • 核心工作:

    master的数据复制到slave中

Redis从入门到深入-主从复制(22)

1.4 主从复制

主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中

特征:一个master可以拥有多个slave, 一个slave只对应一个master

职责:

  • master:

    • 写数据
    • 执行写操作时, 将出现变化的数据自动同步到slave
    • 读数据(可忽略)
  • slave:

    • 读数据
    • 写数据(禁止)
1.5 高可用集群

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1.6 主从复制的作用
  • 读写分离:master写、slave读, 提高服务器的读写负载能力
  • 负载均衡:基于主从结构, 配合读写分离, 由slave分担master负载, 并根据需求的变化, 改变slave的数
    量, 通过多个从节点分担数据读取负载, 大大提高redis服务器并发量与数据吞吐量
  • 故障恢复:当master出现问题时, 由slave提供服务, 实现快速的故障恢复
  • 数据冗余:实现数据热备份,是持久化之外的一种数据冗余方式
  • 高可用基石:基于主从复制, 构建哨兵模式与集群, 实现redis的高可用方案
1.7 主从复制的工作流程

1. 总述

  • 主从复制过程大体可以分为3个阶段
    • 建立连接剪短(即准备阶段)
    • 数据同步阶段
    • 命令传播阶段

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2. 建立连接阶段工作流程

步骤1:设置master的地址和端口, 保存master信息
步骤2:建立socket连接
步骤3:发送ping命令(定时器任务)
步骤4:身份验证
步骤5:发送slave端口信息
至此,主从连接成功!

状态:
slave:
保存master的地址与端口
master:
保存slave的端口

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3. 主从连接(slave连接master)

  • 方式一:客户端发送命令
slave of<master ip><master port>
  • 方式二:启动服务器参数
redis-server-slave of<master ip><master port>
  • 方式三:服务器配置
slave of<master ip><master port>
  • slave系统信息

    • master_link_down_since_seconds
    • masterhost
    • master port
  • master系统信息

    • slave_listening_port(多个)

4. 主从断开连接

  • 客户端发送命令
slave of no one

5. 授权访问

  • master配置文件设置密码
require pass<password>
  • master客户端发送命令设置密码
config set require pass<password>
config get require pass
  • slave客户端发送命令设置密码
auth<password>
  • slave配置文件设置密码
masterauth <password>
  • 启动客户端设置密码
redis-cli -a <password>
1.8 数据同步阶段的工作流程

1. 流程

  • 在slave初次连接master后, 复制master中的所有数据到slave
  • 将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

2. 数据同步阶段工作流程

步骤1:请求同步数据
步骤2:创建RDB同步数据
步骤3:恢复RDB同步数据
步骤4:请求部分同步数据
步骤5:恢复部分同步数据
至此,数据同步工作完成!

状态:

slave:

    具有master端全部数据, 包含RDB过程接收的数据

master:

    保存slave当前数据同步的位置

总体:

    之间完成了数据克隆

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3. 数据同步阶段master说明

1.如果master数据量巨大, 数据同步阶段应避开流量高峰期, 避免造成master阻塞, 影响业务正常执行

2.复制缓冲区大小设定不合理,会导致数据溢出。如进行全量复制周期太长,进行部分复制时发现数据已
经存在丢失的情况, 必须进行第二次全量复制, 致使slave陷入死循环状态。

```
repl-backlog-size 1mb
```	

3.master单机内存占用主机内存的比例不应过大,建议使用50%-70的内存, 留下30%-50%的内存用于执行bg save命令和创建复制缓冲区

4. 数据同步阶段slave说明

1.为避免slave进行全量复制、部分复制时服务器响应阻塞或数据不同步, 建议关闭此期间的对外服务

```
slave-serve-stale-data yes|no
```	

2.数据同步阶段, master发送给slave信息可以理解master是slave的一个客户端, 主动向slave发送命令

3.多个slave同时对master请求数据同步, master发送的RDB文件增多, 会对带宽造成巨大冲击, 如果master带宽不足, 因此数据同步需要根据业务需求, 适量错峰

4.slave过多时, 建议调整拓扑结构, 由一主多从结构变为树状结构, 中间的节点既master, 也是slave。注意使用树状结构时, 由于层级深度, 导致深度越高的slave与最顶层master间数据同步延迟较大,数据一致性变差,应谨慎选择

5. 命令传播阶段的部分复制

  • 命令传播阶段出现了断网现象

    • 网络闪断闪连 忽略
    • 短时间网络中断 部分复制
    • 长时间网络中断 全量复制
  • 部分复制的三个核心要素

    • 服务器的运行id(run id)
    • 主服务器的复制积压缓冲区
    • 主从服务器的复制偏移量

6. 服务器运行ID(run id)

  • 概念:服务器运行ID是每一台服务器每次运行的身份识别码,一台服务器多次运行可以生成多个运行id

  • 组成:运行ia由40位字符组成,是一个随机的十六进制字符

例如:fdc9ff13b9bbaab28db42b3d50f852bb5e3fcdce
  • 作用:运行id被用于在服务器间进行传输,识别身份

    如果想两次操作均对同一台服务器进行,必须每次操作携带对应的运行id,用于对方识别
    送给slave, slave保存此ID, 通过info Server命令, 可以查看节点的run id

  • 实现方式:运行id在每台服务器启动时自动生成的, master在首次连接slave时, 会将自己的运行ID发

7. 复制缓冲区内部工作原理

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  • 组成

    • 偏移量
    • 字节值
  • 工作原理

    • 通过offset区分不同的slave当前数据传播的差异
    • master记录已发送的信息对应的offset
    • slave记录已接收的信息对应的offset

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8. 复制缓冲区

  • 概念:复制缓冲区, 又名复制积压缓冲区, 是一个先进先出(FIFO) 的队列, 用于存储服务器执行过的命
    令, 每次传播命令, master都会将传播的命令记录下来, 并存储在复制缓冲区

    • 复制缓冲区默认数据存储空间大小是1M,由于存储空间大小是固定的,当入队元素的数量大于队
      列长度时,最先入队的元素会被弹出,而新元素会被放入队列
  • 由来:每台服务器启动时, 如果开启有A OF或被连接成为master节点, 即创建复制缓冲区

  • 作用:用于保存master收到的所有指令(仅影响数据变更的指令, 例如set, select)

  • 数据来源:当master接收到主客户端的指令时, 除了将指令执行, 会将该指令存储到缓冲区中

**9. 主从服务器复制偏移量(offset)
**

  • 概念:一个数字,描述复制缓冲区中的指令字节位置

  • 分类:

    • master复制偏移量:记录发送给所有slave的指令字节对应的位置(多个)
    • slave复制偏移量:记录slave接收master发送过来的指令字节对应的位置(一个)
  • 数据来源:

    master端:发送一次记录一次
    slave端:接收一次记录一次

  • 作用:同步信息, 比对master与slave的差异, 当slave断线后, 恢复数据使用

10. 数据同步+命令传播阶段工作流程

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11. 心跳机制

  • 进入命令传播阶段候, master与slave间需要进行信息交换, 使用心跳机制进行维护, 实现双方连接保持在线

  • master心跳:

    • 指令:PING
    • 周期:由repl-ping-slave-period决定, 默认10秒
    • 作用:判断slave是否在线
    • 查询:INFO replication(获取slave最后一次连接时间间隔, lag项维持在0或1视为正常)
  • slave心跳任务

  • 指令:REPL CONF ACK(offset)

  • 周期:1秒

  • 作用1:汇报slave自己的复制偏移量, 获取最新的数据变更指令

  • 作用2:判断master是否在线

12. 心跳阶段注意事项

  • 当slave多数掉线, 或延迟过高时, master为保障数据稳定性, 将拒绝所有信息同步操作
min-slaves-to-write 2 
min-slaves-max-lag 8
slave数量少于2个, 或者所有slave的延迟都大于等于10秒时, 强制关闭master写功能, 停止数据同步
  • slave数量由slave发送REPL CONF ACK命令做确认
  • slave延迟由slave发送REPL CONF ACK命令做确认

13. 主从复制工作流程(完整)

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1.9 主从复制常见问题-频繁的全量复制(1)

伴随着系统的运行, master的数据量会越来越大, 一旦master重启, run id将发生变化, 会导致全部slave的
全量复制操作

内部优化调整方案:

1.master内部创建master_rep lid变量, 使用run id相同的策略生成, 长度41位, 并发送给所有slave
2.在master关闭时执行命令shutdown save, 进行RDB持久化, 将run id与offset保存到RDB文件中

- repl-id repl-offset
- 通过red is-check-rdb命令可以查看该信息

3.master重启后加载RDB文件, 恢复数据

重启后, 将RDB文件中保存的repl-id与repl-offset加载到内存中

	- master_repl_id=repl master_repl_offset=repl-offset
	- 通过info命令可以查看该信息

作用:

本机保存上次run id, 重启后恢复该值, 使所有slave认为还是之前的master
1.10 主从复制常见问题-频繁的全量复制(2)
  • 问题现象

    • 网络环境不佳, 出现网络中断, slave不提供服务
  • 问题原因

    • 复制缓冲区过小, 断网后slave的offset越界, 触发全量复制
  • 最终结果

    • slave反复进行全量复制
  • 解决方案

    • 修改复制缓冲区大小
    repl-backlog-size
  • 建议设置如下:

    1.测算从master到slave的重连平均时长second
    2.获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
    3.最优复制缓冲区空间2secondwrite_size_per_second

1.11 主从复制常见问题-频繁的网络中断(1)
  • 问题现象

    • master的CPU占用过高或slave频繁断开连接
  • 问题原因

    • slave每1秒发送REPL CONF ACK命令到master
    • 当slave接到了慢查询时(keys*, h get all等) , 会大量占用CPU性能
    • master每1秒调用复制定时函数replication Cron() , 比对slave发现长时间没有进行响应
  • 最终结果

    • master各种资源(输出缓冲区、带宽、连接等) 被严重占用
  • 解决方案

    • 通过设置合理的超时时间, 确认是否释放slave

    该参数定义了超时时间的阈值(默认60秒) , 超过该值, 释放slave

1.12 主从复制常见问题-频繁的网络中断(2)
  • 问题现象

    • slave与master连接断开
  • 问题原因

    • master发送ping指令频度较低
    • master设定超时时间较短
    • ping指令在网络中存在丢包
  • 解决方案

    • 提高ping指令发送的频度
    repl-ping-slave-period

    超时时间repl-time的时间至少是ping指令频度的5到10倍, 否则slave很容易判定超时

1.13 数据不一致
  • 问题现象

    • 多个slave获取相同数据不同步
  • 问题原因

    • 网络信息不同步,数据发送有延迟
  • 解决方案

    • 优化主从间的网络环境,通常放置在同一个机房部署,如使用阿里云等云服务器时要注意此现象
    • 监控主从节点延迟(通过offset) 判断, 如果slave延迟过大, 暂时屏蔽程序对该slave的数据访问
    slave-serve-stale-data yes i no

    开启后仅响应info、slave of等少数命令(慎用, 除非对数据一致性要求很高)

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