主从复制简介

单机redis的风险与问题

  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
  1. 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

总结

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.

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
  • 核心工作 : master的数据复制到slave中

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
  • 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)

QQ截图20201021090522.png

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

主从复制工作流程

QQ截图20201021090634.png

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

  1. 设置master的地址和端口,保存master信息
  2. 建立socket连接
  3. 发送ping命令(定时器任务)
  4. 身份验证
  5. 发送slave端口信息
  6. slave保存master的地址与端口
  7. master保存slave的端口

QQ截图20201021090928.png

  • 主从连接(slave连接master)
#方式一:客户端发送命令
slaveof <masterip> <masterport>
#方式二:启动服务器参数
redis-server --slaveof <masterip> <masterport>
#方式三:服务器配置
slaveof <masterip> <masterport>
  • 主从断开连接
#客户端发送命令,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
  • master客户端发送命令设置密码
requirepass <password>
  • master配置文件设置密码
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启动服务器设置密码
redis-server –a <password>

数据同步阶段

  1. 请求同步数据
  2. 创建RDB同步数据
  3. 恢复RDB同步数据
  4. 请求部分同步数据
  5. 恢复部分同步数据
  6. 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

QQ截图20201021092647.png

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。
  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bgsave命令和创建复制缓冲区

QQ截图20201021092931.png

repl-backlog-size 1mb

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
  1. 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
  2. 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
  3. 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

  • 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
  • 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(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

QQ截图20201021102248.png

  • 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

QQ截图20201021102444.png

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

QQ截图20201021102709.png

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

  • 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

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8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

QQ截图20201021103034.png

主从复制常见问题

频繁的全量复制

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

  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
  1. 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_i = repl master_repl_offset = repl-offset
  • 通过info命令可以查看该信息
  • 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

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
  • 解决方案
  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

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

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
#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
repl-ping-slave-period

数据不一致

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
#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)
slave-serve-stale-data  yes|no