redis集群主从复制原理_主从关系紫音

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

Redis主从复制

主从复制简介
- 主从复制的概念
主从复制的作用
主从复制工作流程
- 阶段一：建立连接阶段
- 主从连接（slave连接master）
  - 第一种方式
  - 第二种方式
  - 第三种方式
    - 授权访问
- 阶段二：数据同步阶段工作流程
  - 数据同步阶段master说明
  - 数据同步阶段slave说明
- 阶段三：命令传播阶段
  - 命令传播阶段的部分复制
    - 服务器的运行 id
    - 复制缓冲区
    - 复制缓冲区内部工作原理
    - 复制缓冲区
    - 主从服务器复制偏移量（offset）
- 数据同步命令传播阶段工作流程
- 心跳机制
  - 心跳阶段注意事项
主从复制常见问题
- 引发频繁的全量复制1
- 引发频繁的全量复制2
- 频繁的网络中断1
- 频繁的网络中断2
- 数据不一致

主从复制简介

主从复制是为了达成高可用

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。

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

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
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）

主从复制的概念

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/leader)，后者称为从节点(slave/follower) ; 数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。Master以写为主，Slave以读为主。

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。

主从复制的作用

读写分离：主节点写，从节点读，提高服务器的读写负载能力
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（集群）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。

主从复制工作流程

总述

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

阶段一：建立连接阶段

建立slave到master的连接，使master能够识别slave，并保存slave端口号

设置master的地址和端口，保存master信息
建立socket连接
发送ping命令（定时器任务）
身份验证
发送slave端口信息

slave：保存master的地址和端口 master：保存slave的端口总体：之间创建了socket连接

主从连接（slave连接master）

方式一：客户端发送命令

代码语言：javascript复制

slaveof <masterip> <masterport>

方式二：启动服务器参数

代码语言：javascript复制

redis-server -slaveof <masterip> <masterport>

方式三：服务器配置

代码语言：javascript复制

vim redis.conf
slaveof <masterip> <masterport>

第一种方式

代码语言：javascript复制

打开redis服务端
redis-server redis_config/redis-6379.conf	# 主机
redis-server redis_config/redis-6380.conf	# 从机

进入从机
[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> slaveof 127.0.0.1 6379

查看主机日志信息
Synchronization with replica 127.0.0.1:6380 succeeded	

查看从机日志信息
MASTER <-> REPLICA sync: receiving 361 bytes from master to disk
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Flushing old data
2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Loading DB in memory

说明主从已经配置完毕
测试
在主节点创建一个key
127.0.0.1:6379> set master maomao
OK

在从节点查看
127.0.0.1:6380> get master
"maomao"

还可以通过 info replication 命令查看
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第二种方式

代码语言：javascript复制

在命令行直接连接
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf --slaveof 127.0.0.1 6379

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379

第三种方式

代码语言：javascript复制

[root@maomao redis_config]# vim redis-6380.conf 
添加
slaveof 127.0.0.1 6379

启动redis
[root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf

[root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379
master_link_status:up

主从断开连接客户端发送命令 slaveof no one
slave断开连接后，不会删除已有数据，只是不再接受master发送的数据

代码语言：javascript复制

在从机上
127.0.0.1:6380> slaveof no one
OK

127.0.0.1:6379> set slave maomao
OK

127.0.0.1:6380> get slave
"xiaotian"

授权访问

master客户端发送命令设置密码

代码语言：javascript复制

requirepass <password>

master配置文件设置密码

代码语言：javascript复制

config set requirepass <password>
config get requirepass

slave客户端发送命令设置密码

代码语言：javascript复制

auth <password>

slave配置文件设置密码

代码语言：javascript复制

masterauth <password>

slave启动服务器设置密码

代码语言：javascript复制

redis-server –a <password>

阶段二：数据同步阶段工作流程

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

部分复制就是增量复制增量复制需要在全量复制成功之后才能执行

请求同步数据
创建RDB同步数据
恢复RDB同步数据
请求部分同步数据
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

数据同步阶段master说明

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
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。

代码语言：javascript复制

修改复制缓冲区大小
repl-backlog-size 1mb		# 默认1mb

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bgsave命令和创建复制缓冲区

数据同步阶段slave说明

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

代码语言：javascript复制

slave-serve-stale-data yes|no

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

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

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，中间的节点既是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

阶段三：命令传播阶段

当master数据库状态被修改后，导致主从服务器数据库状态不一致，此时需要让主从数据同步到一致的状态，同步的动作称为命令传播
master将接收到的数据变更命令发送给slave，slave接收命令后执行命令
主从复制过程大体可以分为3个阶段
- 建立连接阶段（即准备阶段）
- 数据同步阶段
- 命令传播阶段

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

服务器的运行 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id由40位字符组成，是一个随机的十六进制字符
- 例如：0eab876073ab904a4b357000dc8f231f553c20a7
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
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发送给slave，slave保存此ID，通过info Server命令，可以查看节点的runid

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

代码语言：javascript复制

set name maomao
以这种格式
$3 rn
set rn
$4 rn
name rn
$6 rn
maomao rn

到复制缓冲区

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AOF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

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

数据同步命令传播阶段工作流程

主从连接之后

master生成复制缓冲区
slave发送指令：psync2 ? -1 (意思需要全部信息)
master接收到指令，执行bgsave生成RDB文件，记录当前的复制偏移量offset 但是因为第一次slave发送的是空白。
于是master将runid 和offset发给slave。发送 FULLRESYNC runid offset，(全量复制)，通过socket发送RDB文件给slave
slave收到 FULLRESYNC(全量复制)，保存master的runid和offset，清空当前全部数据，通过socket接收RDB文件，恢复RDB数据
在整个过程中有一些指令要进入复制缓冲区，master接收这些客户端指令，offset发生了变化
slave 发送命令：psync2 runid offset
master 接收命令，判断runid是否匹配，判定offset是否在复制缓冲区中
如果runid或offset有一个不满足，执行全量复制（循环之前的全量复制）
如果runid或offset校验通过，offset与offset相同，则忽略
如果如果runid或offset校验通过，offset与offset不相同。就发送 CONTINUE offset。通过socket发送复制缓冲区中offset到offset的数据
slave 收到 CONTINE 保存master的offset 接收到信息后，执行bgrewriteaof，恢复数据

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：REPLCONF 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

代码语言：javascript复制

127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=927,lag=1

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

代码语言：javascript复制

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REPLCONF ACK命令做确认

slave延迟由slave发送REPLCONF ACK命令做确认

主从复制常见问题

引发频繁的全量复制1

伴随着系统的运行，master的数据量会越来越大，一旦master重启，runid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_replid变量，使用runid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runid与offset保存到RDB文件中
  - repl-id repl-offset
  - 通过redis-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runid，重启后恢复该值，使所有slave认为还是之前的master

代码语言：javascript复制

[root@maomao redis_config]# cd /usr/local/redis/data/
[root@maomao data]# ls
6379.log  6380.log  appendonly-6379.aof  dump-6379.rdb  dump.rdb
[root@maomao data]# redis-check-rdb dump-6379.rdb 
[offset 0] Checking RDB file dump-6379.rdb
[offset 26] AUX FIELD redis-ver = '6.2.1'
[offset 40] AUX FIELD redis-bits = '64'
[offset 52] AUX FIELD ctime = '1618763025'
[offset 67] AUX FIELD used-mem = '1942304'
[offset 85] AUX FIELD repl-stream-db = '0'
[offset 135] AUX FIELD repl-id = '2d82ff022e405afb883753f4d0c52f8ceb36d740'		# runid
[offset 151] AUX FIELD repl-offset = '885'	#offset
[offset 167] AUX FIELD aof-preamble = '0'
[offset 169] Selecting DB ID 0
[offset 391] Checksum OK
[offset 391] o/ RDB looks OK! o/
[info] 5 keys read
[info] 0 expires
[info] 0 already expired

引发频繁的全量复制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 = 2 * second * write_size_per_second

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REPLCONF ACK命令到master
- 当slave接到了慢查询时（keys * ，hgetall等），会大量占用CPU性能
- master每1秒调用复制定时函数replicationCron()，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 repl-timeout 该参数定义了超时时间的阈值（默认60秒），超过该值，释放slave

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

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|no 开启后仅响应info、slaveof等少数命令（慎用，除非对数据一致性要求很高）

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Redis主从复制

主从复制简介

主从复制的概念

主从复制的作用

主从复制工作流程

阶段一：建立连接阶段

主从连接（slave连接master）

第一种方式

第二种方式

第三种方式

授权访问

阶段二：数据同步阶段工作流程

数据同步阶段master说明

数据同步阶段slave说明

阶段三：命令传播阶段

命令传播阶段的部分复制

服务器的运行 id

复制缓冲区

复制缓冲区内部工作原理

复制缓冲区

主从服务器复制偏移量（offset）

数据同步 命令传播阶段工作流程

心跳机制

心跳阶段注意事项

主从复制常见问题

引发频繁的全量复制1

引发频繁的全量复制2

频繁的网络中断1

频繁的网络中断2

数据不一致

数据同步命令传播阶段工作流程