12、主从复制

1、主从复制简介

• 单机redis的风险与问题
• 问题1：机器故障
• 现象：磁盘故障、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
• 问题2：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
• 结论：
• 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
• 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
• 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

2、主从复制工作流程

• 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

2.1 阶段1：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
• 建立连接阶段工作流程
• 步骤1：设置master的地址和端口，保存master信息
• 步骤2：建立socket连接
• 步骤3：发送ping命令(定时器任务)
• 步骤4：身份验证
• 步骤5：发送slave端口信息
• 至此，主从连接成功

• slave：保存master的地址和端口
• master：保存slave的端口
• 总体：之间创建了连接的socket
• 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：从节点的配置文件

slaveof <masterip> <masterport>

• 在slave服务器客户端执行info命令，查看信息

• 在master服务器客户端查看info命令，查看信息

• 主从断开连接
• 客户端发送命令

slaveof no one

• 说明：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
• 授权访问
• master配置文件设置密码

requrepass <password>

• master客户端发送命令设置密码

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>

2.2、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
• 数据同步阶段工作流程
• 步骤1：请求同步数据
• 步骤2：创建RDB同步数据
• 步骤3：恢复RDB同步数据
• 步骤4：请求部分同步数据
• 步骤5：恢复部分同步数据
• 至此，数据同步工作完成。

• 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

repl-backlog-size 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、增量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

• 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，会对宽带造成巨大冲击，如果master宽带不足，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。

2.3、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
• 长时间网络中间   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
• 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
• 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

• 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

• 心跳机制
• 进入命令传播阶段，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
• 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
• 主从复制工作流程(完整)

3、主从复制常见问题

• 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，dunid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：
• 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
• 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
• 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
• 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：
• 测试从master到slave的重连平均时长second
• 获取master平均每秒产生写命令数据总量write_size_per_second
• 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)，会大量站占用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、宽带、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)