[大数据] Redis的高可用方案：主从模式、哨兵模式、集群模式

????????一般，系统的高可用都是通过部署多台机器实现的。redis为了避免单点故障，也需要部署多台机器。因为部署了多台机器，所以就会涉及到不同机器的的数据同步问题。为此，redis提供了Redis提供了复制(replication)功能，当一台redis数据库中的数据发生了变化，这个变化会被自动的同步到其他的redis机器上去。

????????redis多机器部署时，这些机器节点会被分成两类，一类是主节点（master节点），一类是从节点（slave节点）。一般主节点可以进行读、写操作，而从节点只能进行读操作。同时由于主节点可以写，数据会发生变化，当主节点的数据发生变化时，会将变化的数据同步给从节点，这样从节点的数据就可以和主节点的数据保持一致了。

????????一个主节点可以有多个从节点，但是一个从节点会只会有一个主节点，也就是所谓的一主多从结构。如下图：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?

主从复制的机制

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流程说明如下：?

从数据库连接主数据库，发送SYNC命令;
主数据库接收到SYNC命令后，可以执行BGSAVE命令生成RDB文件并使用缓冲区记录此后执行的所有写命令;
主数据库BGSAVE执行完后，向所有从数据库发送快照文件，并在发送期间继续记录被执行的写命令;
从数据库收到快照文件后丢弃所有旧数据，载入收到的快照;
主数据库快照发送完毕后开始向从数据库发送缓冲区中的写命令;
从数据库完成对快照的载入，开始接受命令请求，并执行来自主数据库缓冲区的写命令;(从数据库初始化完成)
主数据库每执行一个写命令就会向从数据库发送相同的写命令，从数据库接收并执行收到的写命令(从数据库初始化完成后的操作)
出现断开重连后，2.8之后的版本会将断线期间的命令传给从数据库，增量复制。
主从刚刚连接的时候，进行全量同步;全同步结束后，进行增量同步。当然，如果有需要，slave在任何时候都可以发起全量同步。Redis的策略是，无论如何，首先会尝试进行增量同步，如不成功，要求从机进行全量同步。

主从模式的优缺点

优点

支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离;
为了分载Master的读操作压力，Slave服务器可以为客户端提供只读操作的服务，写服务依然必须由Master来完成;
Slave同样可以接受其他Slaves的连接和同步请求，这样可以有效地分载Master的同步压力;
Master是以非阻塞的方式为Slaves提供服务。所以在Master-Slave同步期间，客户端仍然可以提交查询或修改请求;
Slave同样是以阻塞的方式完成数据同步。在同步期间，如果有客户端提交查询请求，Redis则返回同步之前的数据。

缺点

主从模式下的Redis不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复;
主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性;
如果多个Slave断线了，需要重启的时候，尽量不要在同一时间段进行重启。因为只要Slave启动，就会发送sync请求和主机全量同步，当多个Slave重启的时候，可能会导致Master IO剧增从而宕机。
Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂;
redis的主节点和从节点中的数据是一样的，降低的内存的可用性

二、哨兵模式

????????主从模式下，当主服务器宕机后，需要手动把一台从服务器切换为主服务器，这就需要人工干预，费事费力，还会造成一段时间内服务不可用。这种方式并不推荐，实际生产中，我们优先考虑哨兵模式。这种模式下，master宕机，哨兵会自动选举master并将其他的slave指向新的master。

????????在主从模式基础上，redis同时提供了哨兵命令redis-sentinel，哨兵是一个独立的进程，作为进程，它会独立运行。其原理是哨兵进程向所有的redis机器发送命令，等待Redis服务器响应，从而监控运行的多个Redis实例。

????????哨兵可以有多个，一般为了便于决策选举，使用奇数个哨兵。哨兵可以和redis机器部署在一起，也可以部署在其他的机器上。多个哨兵构成一个哨兵集群，哨兵直接也会相互通信，检查哨兵是否正常运行，同时发现master宕机哨兵之间会进行决策选举新的master。

哨兵模式的作用:（哨兵很像kafka集群中的zookeeper的功能）

通过发送命令，让Redis服务器返回监控其运行状态，包括主服务器和从服务器;
当哨兵监测到master宕机，会自动将slave切换到master，然后通过发布订阅模式通过其他的从服务器，修改配置文件，让它们切换主机;
然而一个哨兵进程对Redis服务器进行监控，也可能会出现问题，为此，我们可以使用多个哨兵进行监控。各个哨兵之间还会进行监控，这样就形成了多哨兵模式。

哨兵模式的工作流程：

每个Sentinel（哨兵）进程以每秒钟一次的频率向整个集群中的Master主服务器，Slave从服务器以及其他Sentinel（哨兵）进程发送一个 PING 命令。
如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值，则这个实例会被 Sentinel（哨兵）进程标记为主观下线（SDOWN）
如果一个Master主服务器被标记为主观下线（SDOWN），则正在监视这个Master主服务器的所有 Sentinel（哨兵）进程要以每秒一次的频率确认Master主服务器的确进入了主观下线状态
当有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master主服务器进入了主观下线状态（SDOWN），则Master主服务器会被标记为客观下线（ODOWN）
在一般情况下，每个 Sentinel（哨兵）进程会以每 10 秒一次的频率向集群中的所有Master主服务器、Slave从服务器发送 INFO 命令。
当Master主服务器被 Sentinel（哨兵）进程标记为客观下线（ODOWN）时，Sentinel（哨兵）进程向下线的 Master主服务器的所有 Slave从服务器发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次。
若没有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程同意 Master主服务器下线， Master主服务器的客观下线状态就会被移除。若 Master主服务器重新向 Sentinel（哨兵）进程发送 PING 命令返回有效回复，Master主服务器的主观下线状态就会被移除。

????????假设master宕机，sentinel 1先检测到这个结果，系统并不会马上进行 failover(故障转移)选出新的master，仅仅是sentinel 1主观的认为master不可用，这个现象成为主观下线。

????????当后面的哨兵也检测到主服务器不可用，并且数量达到一定值时，那么哨兵之间就会进行一次投票，投票的结果由sentinel 1发起，进行 failover 操作。切换成功后，就会通过发布订阅模式，让各个哨兵把自己监控的从服务器实现切换主机，这个过程称为客观下线。这些对于客户端而言，一切都是透明的。

哨兵模式的优缺点

优点

哨兵模式是基于主从模式的，所有主从的优点，哨兵模式都具有。
主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高。

缺点

具有主从模式的缺点，每台机器上的数据是一样的，内存的可用性较低。
Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

三、集群模式

????????先说一个误区：Redis的集群模式本身没有使用一致性hash算法，而是使用slots插槽。简单了解哈希槽（slot）的概念，为此先看一下图:

????????图中有整数1～6的图形为一个哈希槽，哈希槽中的数字决定了数据将发送到哪台主Redis服务器进行存储。每台主服务器会配置1台到多台从Redis服务器，从服务器会同步主服务器的数据。那么它的工作机制是什么样的呢？下面我们来进行解释。

????????我们知道Redis是一个key-value缓存，假如计算key的哈希值，得到一个整数，记为hashcode。如果此时执行：

n = hashcode % 6 + 1

????????得到的n就是一个1到6之间的整数，然后通过哈希槽就能找到对应的服务器。例如，n=4时就会找到主服务器1的Redis服务器，而从服务器1就是其从服务器，会对数据进行同步。

????????在Redis集群中，大体也是通过相同的机制定位服务器的，只是Redis集群的哈希槽大小为（2的14次方=16 384），也就是取值范围为区间[0, 16383]，最多能够支持16 384个节点，Redis设计师认为这个节点数已经足够了。对于key，Redis集群会采用CRC16算法计算key的哈希值，关于CRC16算法，当计算出key的哈希值（记为hashcode）后，通过对16 384求余就可以得到结果（记为n），根据它来寻找哈希槽，就可以找到对应的Redis服务器进行存储了。它们的计算公式为：

# key为Redis的键，通过CRC16算法求哈希值
hashcode = CRC16(key);
# 求余得到哈希槽中的数字，从而找到对应的Redis服务器 
n = hashcode % 16384

这样n就会落入Redis集群哈希槽的区间[0, 16383]内，从而进一步找到数据。下面举例进行说明，如图下所示。

????????这里假设有3个Redis主服务器（或者称为节点），用来存储缓存的数据，每一个主服务器都有一个从服务器，用来复制主服务器的数据，保证高可用。其中哈希槽分配如下。

Redis主服务器1：分配哈希槽区间为[0, 5460]。
Redis主服务器2：分配哈希槽区间为[5461, 10922]。
Redis主服务器3：分配哈希槽区间为[10923, 16383]。

????????这样通过CRC16算法求出key的哈希值，再对16 384求余数，就知道n会落入哪个哈希槽里，进而决定数据存储在哪个Redis主服务器上。

????????注意，集群中各个Redis服务器不是隔绝的，而是相互连通的，采用的是PING-PONG机制，内部使用了二进制协议优化传输速度和带宽，如上图所示。

????????从上图中可以看出，客户端与Redis节点是直连的，不需要中间代理层，并且不需要连接集群所有节点，只需连接集群中任何一个可用节点即可。在Redis集群中，要判定某个主节点不可用，需要各个主节点进行投票，如果半数以上主节点认为该节点不可用，该节点就会从集群中被剔除，然后由其从节点代替，这样就可以容错了。因为这个投票机制需要半数以上，所以一般来说，要求节点数大于3，且为单数。因为如果是双数，如4，投票结果可能会为2:2，就会陷入僵局，不利于这个机制的执行。

另外说明如下：

????????Redis 的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离，但是在这种模式下每台 Redis 服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在redis3.0上加入了 Cluster 集群模式，实现了 Redis 的分布式存储，对数据进行分片，也就是说每台主Redis 节点上存储不同的内容；

????????如上图举例说明，这里的6台redis两两之间并不是独立的，每个节点都会通过集群总线(cluster bus)，与其他的节点进行通信。通讯时使用特殊的端口号，即对外服务端口号加10000。例如如果某个node的端口号是6379，那么它与其它nodes通信的端口号是16379。nodes之间的通信采用特殊的二进制协议。

????????对客户端来说，整个cluster被看做是一个整体，客户端可以连接任意一个node进行操作，就像操作单一Redis实例一样，当客户端操作的key没有分配到该node上时，Redis会返回转向指令，指向正确的node，这有点儿像浏览器页面的302 redirect跳转。

????????根据官方推荐，集群部署至少要 3 台以上的master节点，最好使用 3 主 3 从六个节点的模式。测试时也可以在一台机器上部署这六个实例，通过端口区分出来。

运行机制

在 Redis 的每一个节点上，都有这么两个东西，一个是插槽（slot），它的的取值范围是：0-16383，可以从上面redis-trib.rb执行的结果看到这16383个slot在三个master上的分布。
当我们的存取的 Key到达的时候，Redis 会根据 crc16的算法对计算后得出一个结果，然后把结果和16384 求余数，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，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。
当数据写入到对应的master节点后，这个数据会同步给这个master对应的所有slave节点。

????????为了保证高可用，redis-cluster集群引入了主从模式，一个主节点对应一个或者多个从节点。当其它主节点ping主节点master 1时，如果半数以上的主节点与master 1通信超时，那么认为master 1宕机了，就会启用master 1的从节点slave 1，将slave 1变成主节点继续提供服务。

????????如果master 1和它的从节点slave 1都宕机了，整个集群就会进入fail状态，因为集群的slot映射不完整。如果集群超过半数以上的master挂掉，无论是否有slave，集群都会进入fail状态。

????????redis-cluster采用去中心化的思想，没有中心节点的说法，客户端与Redis节点直连，不需要中间代理层，客户端不需要连接集群所有节点，连接集群中任何一个可用节点即可。

集群扩缩容

????????对redis集群的扩容就是向集群中添加机器，缩容就是从集群中删除机器，并重新将16383个slots分配到集群中的节点上（数据迁移）。扩缩容也是使用集群管理工具 redis-tri.rb。

????????扩容时，先使用redis-tri.rb add-node将新的机器加到集群中，这是新机器虽然已经在集群中了，但是没有分配slots，依然是不起做用的。在使用?redis-tri.rb reshard进行分片重哈希（数据迁移），将旧节点上的slots分配到新节点上后，新节点才能起作用。

??????缩容时，先要使用?redis-tri.rb reshard移除的机器上的slots，然后使用redis-tri.rb add-del移除机器。

集群模式的优缺点

优点

采用去中心化思想，数据按照 slot 存储分布在多个节点，节点间数据共享，可动态调整数据分布;
可扩展性：可线性扩展到 1000 多个节点，节点可动态添加或删除;
高可用性：部分节点不可用时，集群仍可用。通过增加 Slave 做 standby 数据副本，能够实现故障自动 failover，节点之间通过 gossip 协议交换状态信息，用投票机制完成 Slave 到 Master 的角色提升;
降低运维成本，提高系统的扩展性和可用性。

缺点

Redis Cluster是无中心节点的集群架构，依靠Gossip协议(谣言传播)协同自动化修复集群的状态。但 Gossip有消息延时和消息冗余的问题，在集群节点数量过多的时候，节点之间需要不断进行 PING/PANG通讯，不必须要的流量占用了大量的网络资源。虽然Reds4.0对此进行了优化，但这个问题仍然存在。
数据迁移问题。Redis Cluster可以进行节点的动态扩容缩容，这一过程，在目前实现中，还处于半自动状态，需要人工介入。在扩缩容的时候，需要进行数据迁移。而 Redis为了保证迁移的一致性，迁移所有操作都是同步操作，执行迁移时，两端的 Redis均会进入时长不等的阻塞状态，对于小Key，该时间可以忽略不计，但如果一旦Key的内存使用过大，严重的时候会接触发集群内的故障转移，造成不必要的切换。