Redis学习笔记——主从复制

简介

对于redis的单机故障和容量瓶颈问题而无法实现“Redis”的高可用。需要的解决方法是：

• 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。

多台服务器连接的方案

• 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（即所谓的主从复制）
• 下图是一个最简单的分布式部署
  

主从复制说明

主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave
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）

主从复制作用

• 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（转变为临时master），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

主从复制工作流程

主从复制过程大体上分为三个阶段

• 建立连接阶段（即准备阶段）
• 数据同步阶段
• 命令传播阶段
  

建立连接阶段

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

步骤

1. slave设置master的地址和端口，保存master信息
2. slave与master建立socket连接
3. slave发送ping命令（定时器任务）
4. 身份验证（可省略，redis一般用于内网）
5. 发送slave端口信息

连接后状态：
slave：保存master的地址与端口
master：保存slave的端口
总体：之间创建了连接的socket

流程图如下：

具体命令

连接

• 方法1：slave客户端发送命令

slaveof <masterip> <masterport>		//两个参数为master的主机地址与端口号

• 方法2：slave服务器启动时单上参数

redis-server -slaveof <masterip> <masterport>

• 方法3：slave服务器conf文件配置

slaveof <masterip> <masterport>

断开连接

• 由slave客户端发出（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）

slaveof no one

授权访问

一般用不到仅做了解

• master客户端发送命令设置密码

requirepass <password>

• master服务器配置文件*.conf设置密码

config set requirepass <password>
config get requirepass

• 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>

• slave服务器启动设置密码

redis-server –a <password>

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

数据同步阶段工作流程

1. slave请求同步数据
2. master创建RDB同步数据并通过socket发送
3. slave恢复RDB同步数据
4. slave请求部分同步数据（在同步过程中master又执行一定的操作修改了数据，这部分操作被存在了复制缓存区中）
5. slave恢复部分同步数据
   至此，数据同步工作完成！

状态：
slave：具有master端的全部数据，包含RDB过程接收的数据
master：保存slave当前数据同步的位置（即复制缓存区中偏移位置offset）
总体：之间完成了数据克隆

流程图如下：

数据同步阶段master注意点

• 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。

repl-backlog-size 1mb			//复制缓存区在conf中的配置

• 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注意点

• 为避免slave进行全量复制、部分复制时slave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

• 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

命令传播阶段（长期处于这种状态）

• 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

命令传播阶段的部分复制

• 命令传播阶段出现了断网现象的复制选择策略
  • 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

服务器运行ID（runid）

• 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：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
• 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
• 大小：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（即未发送给slave的缓存区内数据下标）
• 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

复制缓存区内部工作原理

数据同步+命令传播阶段工作流程

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
    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。配置文件conf参数如下

min-slaves-to-write 2		
min-slaves-max-lag 10 

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

• 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