redis主从复制

1、 redis主从复制

1.0 背景

在实际的场景当中单一节点的redis容易面临风险。比如：

机器故障。我们部署到一台 Redis 服务器，当发生机器故障时，就无法进行数据的写入跟读取，这时需要迁移到另外一台服务器并且要保证数据是同步的。

要实现分布式数据库的更大的存储容量和承受高并发访问量，我们会将原来集中式数据库的数据分别存储到其他多个网络节点上。
Redis 为了解决这个单一节点的问题，也会把数据复制多个副本部署到其他节点上进行复制，实现 Redis 的高可用，实现对数据的冗余备份，从而保证数据和服务的高可用。

1.1 什么是主从复制

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)，后者称为从节点(slave),数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。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。

1.2 主从复制作用

主从复制的作用主要包括：

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。

1.3 主从配置

redis对于主从复制有三种方式

1. 在配置文件中加入 slaveof {masterHost} {masterPort} 随redis启动生效
2. 在redis-server启动命令后加入 --slaveof {masterHost} {masterPort} 生效
3. 直接使用命令： slaveof {masterHost} {masterPort}

主从连接效果：

查看主从连接信息命令 `info replilcation`

主：-----------------------------
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=172.16.16.140,port=6379,state=online,offset=910,lag=1
master_replid:dcb74b42b1b8ab7cc2c6588c38adbbeb648a905f
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:910
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:1
repl_backlog_histlen:910

从：-----------------------------
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:slave
master_host:172.16.16.150
master_port:6379
master_link_status:up
master_last_io_seconds_ago:3
master_sync_in_progress:0
slave_repl_offset:1050
slave_priority:100
slave_read_only:1
connected_slaves:0
master_replid:dcb74b42b1b8ab7cc2c6588c38adbbeb648a905f
master_replid2:0000000000000000000000000000000000000000
master_repl_offset:1050
second_repl_offset:-1
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:659
repl_backlog_histlen:392

从节点断开复制

slaveof命令不但可以建立复制，还可以在从节点执行 slaveof no one 来断开与主节点复制关系。如果从节点断开了连接，那么当前的redis则会切换为主服务

1.4 注意

1.4.1 安全：
对于数据比较重要的节点，主节点会通过设置requirepass参数进行密码验证，这时所有的客户端访问必须使用auth 命令实行验证。从节点与主节点的复制链接是通过一个特殊标识的客户端来完成，因此需要配置从节点的masterauth参数与主节点密码保持一致，这样从节点才可以正确地链接到主节点并发起复制流程
1.4.2 从节点只读：
默认情况下 slave-read-only=yes 配置为只读。由于复制只能从主节点到从节点，对于从节点的任何修改主节点都无法感知，修改从节点数据会造成主从数据不一致。因此没必要就不要动这个配置
1.4.3. 网络延迟问题：
主从节点一般部署在不同机器上，复制时的网络延迟就成为需要考虑的问题， Redis 为我们提供了repl-disable-tcp-nodelay参数用于控制是否关闭TCP NODELAY,默认关闭，说明如下:

当关闭时，主节点产生的命令数据无论大小都会及时地发送给从节点，这样主从之间延迟会变小，但增加了网络带宽的消耗。适用于主从之间的网络环境良好的场景，如同机架或同机房部署。

当开启时，主节点会合并较小的TCP数据包从而节省带宽。默认发送时间间隔取决于Linux的内核， --般默认为40毫秒。这种配置节省了带宽但增大主从之间的延迟。适用于主从网络环境复杂或带宽紧张的场景，如跨机房部署。
注意：运提部署主从节点时需要考虑网络延迟、带宽使用率、防灾级别等因素，如要求低延迟时，建议同机架或同机房部署并关闭repl-disable-tcp-nodelay;如果考虑高容灾性，可以同城跨机房部署并开启repl-disable-tcp-nodelay

2、主从结构类型

3、原理

根据上图分析大致可以分为6个过程：

1. 保存主节点(master)

执行slaveof后从节点只保存主节点的地址信息便直接返回，这时建立复制流程还没有开始

2. 从节点(slave) 内部通过每秒运行的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节点后，会尝试与该节点建立网络连接

从节点会建立一个 socket 套接字，从节点建立了一个端口为 51234 的套接字，专门用于接受主节点发送的复制命令。
如果从节点无法建立连接，定时任务会无限重试直到连接成功或者执行 slaveof no one 取消复制
关于连接失败，可以在从节点执行 info replication 查看 master_link_down_since_seconds 指标，它会记录与主节点连接失败的系统时间。从节点连接主节点失败时也会每秒打印如下日志，方便发现问题：
Error condition on socket for SYNC: {socket_error_reason}

3. 发送 ping 命令

连接建立成功后从节点发送 ping 请求进行首次通信， ping 请求主要目的如下：

* 检测主从之间网络套接字是否可用。
* 检测主节点当前是否可接受处理命令。

如果发送 ping 命令后，从节点没有收到主节点的 pong 回复或者超时，比如网络超时或者主节点正在阻塞无法响应命令，从节点会断开复制连接，下次定时任务会发起重连

4. 权限验证

如果主节点设置了 requirepass 参数，则需要密码验证，从节点必须配置 masterauth 参数保证与主节点相同的密码才能通过验证；如果验证失败复制将终止，从节点重新发起复制流程。

5. 同步数据集

主从复制连接正常通信后，对于首次建立复制的场景，主节点会把持有的数据全部发送给从节点，这部分操作是耗时最长的步骤。

6. 命令持续复制

当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制的建立流程。接下来主节点会持续地把写命令发送给从节点，保证主从数据一致性。
注意：主从在同步的过程当中，会把原本的从节点的数据清空

4、数据同步

4.1 概念：

全量复制：

用于初次复制或其它无法进行部分复制的情况，将主节点中的所有数据都发送给从节点，是一个非常重型的操作，当数据量较大时，会对主从节点和网络造成很大的开销

部分复制：

用于处理在主从复制中因网络闪断等原因造成的数据丢失场景，当从节点再次连上主节点后，如果（条件允许)，主节点会补发丢失数据给从节点。因为补发的数据远远小于全量数据，可以有效避免全量复制的过高开销，需要注意的是，如果网络中断时间过长，造成主节点没有能够完整地保存中断期间执行的写命令，则无法进行部分复制，仍使用全量复制

4.2复制偏移量

参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在 info relication 中的 master_repl_offset 指标中：
从节点（slave）每秒钟上报自身的复制偏移量给主节点，因此主节点也会保存从节点的复制偏移量.

4.3 复制积压缓冲区

复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区

在命令传播阶段，主节点除了将写命令发送给从节点，还会发送一份给复制积压缓冲区，作为写命令的备份；除了存储写命令，复制积压缓冲区中还存储了其中的每个字节对应的复制偏移量(offset) 。由于复制积压缓冲区定长且先进先出，所以它保存的是主节点最近执行的写命令；时间较早的写命令会被挤出缓冲区()。

4.4 主节点运行ID

每个Redis节点启动后都会动态分配一个40位的十六进制字符串作为运行ID。运行ID的主要作用是用来唯一识别 Redis节点，比如从节点保存主节点的运行ID识别自己正在复制的是哪个主节点。如果只使用ip+port的方式识别主节点，那么主节点重启变更了整体数据集(如替换RDB/AOF文件)，从节点再基于偏移量复制数据将是不安全的，因此当运行ID变化后从节点将做全量复制。可以运行info server命令查看当前节点的运行ID:

127.0.0.1:6379> info server
# Server
redis_version:5.0.7
...
run_id:09f134f7ae60dd091e6d59fc7e93fe0c82bb48d8

需要注意的是Redis关闭再启动，运行的id会随之变化

4.5 Psync命令

从节点使用psync命令完成部分复制和全量复制功能 psync runid offset
流程说明：

从节点(slave)发送psync命令给主节点，参数runid是当前从节点保存的主节点运行id，如果没有则默认值为 '?' , 参数offset是当前从节点保存的复制偏移量，如果是第一次参与复制则默认值为-1

主节点(master)根据psync参数和自身数据情况决定响应结果：

如果回复+FULLRESYNC {runid} {offset}, 那么从节点将触发全量复制流程。

如果回复+CONTINUE，从节点将触发部分复制流程。

如果回复+ERR，说明主节点版本低于Redis2.8

5. 全量复制流程

全量复制是Redis最早支持的复制方式，也是主从第一次建立复制时必须经历的阶段。触发全流量复制的命令是sync和psync

流程说明

发送psync命令进行数据同步，由于是第一次进行复制，从节点没有复制偏移量和主节点的运行id，所以发送psync ? -1
主节点根据psync ? -1解析出当前为全量复制，回复+FULLRESYNC响应(主机会向从机发送 runid 和 offset，因为 slave 并没有对应的 offset，所以是全量复制)
从节点接收主节点的响应数据保存运行ID和偏移量offset(从机 slave 会保存主机master 的基本信息 save masterInfo)
主节点收到全量复制的命令后，执行bgsave（异步执行），在后台生成RDB文件（快照），并使用一个缓冲区（称为复制缓冲区）记录从现在开始执行的所有写命令
主节点发送RDB文件给从节点，从节点把接收到的RDB文件保存在本地并直接作为从节点的数据文件，接收完RDB后从节点打印相关日志，可以在日志中查看主节点发送的数据量(主机send RDB 发送 RDB 文件给从机)
MASTER <-> REPLICA sync: Flushing old data
注意！对于数据量较大的主节点，比如生成的RDB文件超过6GB以上时要格外小心。传输文件这一步操作非常耗时，速度取决于主从节点之间网络带宽，通过细致分析Full resync和MASTER <-> SLAVE这两行日志的时间差，可以算出RDB文件从创建到传输完毕消耗的总时间。如果总时间超过repl-timeout所配置的值(默认60秒)，从节点将放弃接受RDB文件并清理已经下载的临时文件，导致全量复制失败;针对数据量较大的节点，建议调大repl-timeout参数防止出现全量同步数据超时;
例如对于千兆网卡的机器，网卡带宽理论峰值大约每秒传输100MB,在不考虑其他进程消耗带宽的情况下， 6GB的RDB文件至少需要60秒传输时间，默认配置下，极易出现主从数同步超时。
对于从节点开始接收RDB快照到接收完成期间，主节点仍然响应读写命令，因此主节点会把这期间写命令数据保存在复制客户端缓冲区内，当从节点加载完RDB文件后，主节点再把缓冲区内的数据发送给从节点，保证主从之间数据致性。 (发送缓冲区数据)
从节点接收完主节点传送来的全部数据后会清空自身旧数据(刷新旧的数据，从节点在载入主节点的数据之前要先将老数据清除)
从节点清空数据后开始加载RDB文件，对于较大的RDB文件，这一步操作依然比较消耗时间，可以通过计算日志之间的实际差来判断加载RDB的总消耗时间(加载 RDB 文件将数据库状态更新至主节点执行bgsave时的数据库状态和缓冲区数据的加载。 )

114:S 28 Apr 2020 18:57:33.537 * MASTER <-> REPLICA sync: Loading DB in memory
114:S 28 Apr 2020 18:57:33.537 * MASTER <-> REPLICA sync: Finished with success

从节点成功加载完RDB后，如果当前节点开启了AOF持久化的功能，它会立刻做bgrewriteeaof的操作，为了保证全量复制后AOF持久化文件立刻可用。

通过分析全量复制的所有流程，全量制是一个非常耗时费力的操作。他的实际开销主要包括：

主节点bgsave时间
RDB文件网络传输时间。
从节点清空数据时间
从节点加载RDB的时间
可能的AOF重写时间

6.部分复制流程

部分复制是 Redis 2.8 以后出现的，之所以要加入部分复制，是因为全量复制会产生很多问题，比如像上面的时间开销大、无法隔离等问题， Redis 希望能够在master 出现抖动（相当于断开连接）的时候，可以有一些机制将复制的损失降低到最低

流程说明：

当主从节点之间网络出现中断时，如果超过repl-timeout时间，主节点会认为从节点出问题了并断开复制链接(如果网络抖动（连接断开 connection lost） )
主从连接中断期间主节点依然响应命令，但因复制链接中断命令无法发送给从节点，不过主节点内部存在的复制积压缓存区，依然可以保存一段时间的写命令数据，默认最大缓存1MB(主机master 还是会写 replbackbuffer（复制缓冲区） )
当主从节点网络恢复后，从节点会再次连上主节点。 (从机slave 会继续尝试连接主机)
当主从连接恢复后，由于从节点之前保存了自身已复制的偏移量和主节点的运行id。因此会把他们当作psync参数发送给主节点，要求进行部分复制操作。 (从机slave 会把自己当前 runid 和偏移量传输给主机 master，并且执行 pysnc 命令同步)
主节点接到psync命令后首先核对参数的runid，如果 master 发现你的偏移量是在缓冲区的范围内，根据参数offset在缓冲区查找复制，如果在偏移量之后的数据存在缓存区中，则对从节点发送continue表示可以进行部分复制
主节点根据偏移量把复制积压缓冲区里的数据发送给从节点，保证主从复制进入正常状态。 (同步了 offset 的部分数据，所以部分复制的基础就是偏移量offset)

7. 心跳

主节点在建立成功后会维护这长连接彼此发送心跳检测

主从节点彼此都有心跳检测机制，各自模拟成对方的客户端进行通信，通过client list命令查看复制相关客户端信息，主节点的连接状态为flags=M,从节点连接状flags=S
主节点默认每隔10秒对从节点发送ping命令，判断从节点的存活性和连接状态。可通过参数repl-ping-slave-period控制发送频率。
从节点在主线程中每隔1秒发送replconf ack {offset} 命令，给主节点上报自身当前的复制偏移量。

8. 缓冲大小调节

由于缓冲区长度固定且有限，因此可以备份的写命令也有限，当主从节点offset的差距过大超过缓冲区长度时，将无法执行部分复制，只能执行全量复制。反过来说，为了提高网络中断时部分复制执行的概率，可以根据需要增大复制积压缓冲区的大小(通过配置repl-backlog-size)来设置；例如如果网络中断的平均时间是60s，而主节点平均每秒产生的写命令(特定协议格式)所占的字节数为100KB，则复制积压缓冲区的平均需求为6MB，保险起见，可以设置为12MB，来保证绝大多数断线情况都可以使用部分复制。

参考：
六星教育的文档
http://www.elecfans.com/d/883975.html

posted @ 2021-05-13 15:40 bogiang 阅读(33) 评论(0) 收藏举报

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