Redis从入门到深入-主从复制(22)

Posted 2020-12-18 yurenjun

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

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

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

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

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

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

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

• 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

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

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）

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)