一文掌握Redis的三种集群方案(小结)

在开发测试环境中，我们一般搭建Redis的单实例来应对开发测试需求，但是在生产环境，如果对可用性、可靠性要求较高，则需要引入Redis的集群方案。虽然现在各大云平台有提供缓存服务可以直接使用，但了解一下其背后的实现与原理总还是有些必要（比如面试）， 本文就一起来学习一下Redis的几种集群方案。

Redis支持三种集群方案

• 主从复制模式
• Sentinel（哨兵）模式
• Cluster模式

主从复制模式

1. 基本原理

主从复制模式中包含一个主数据库实例（master）与一个或多个从数据库实例（slave），如下图

客户端可对主数据库进行读写操作，对从数据库进行读操作，主数据库写入的数据会实时自动同步给从数据库。

具体工作机制为：

1. slave启动后，向master发送SYNC命令，master接收到SYNC命令后通过bgsave保存快照（即上文所介绍的RDB持久化），并使用缓冲区记录保存快照这段时间内执行的写命令
2. master将保存的快照文件发送给slave，并继续记录执行的写命令
3. slave接收到快照文件后，加载快照文件，载入数据
4. master快照发送完后开始向slave发送缓冲区的写命令，slave接收命令并执行，完成复制初始化
5. 此后master每次执行一个写命令都会同步发送给slave，保持master与slave之间数据的一致性

2. 部署示例

本示例基于Redis 5.0.3版。

redis.conf的主要配置

###网络相关###
# bind 127.0.0.1 # 绑定监听的网卡IP，注释掉或配置成0.0.0.0可使任意IP均可访问
protected-mode no # 关闭保护模式，使用密码访问
port 6379 # 设置监听端口，建议生产环境均使用自定义端口
timeout 30 # 客户端连接空闲多久后断开连接，单位秒，0表示禁用

###通用配置###
daemonize yes # 在后台运行
pidfile /var/run/redis_6379.pid # pid进程文件名
logfile /usr/local/redis/logs/redis.log # 日志文件的位置

###RDB持久化配置###
save 900 1 # 900s内至少一次写操作则执行bgsave进行RDB持久化
save 300 10
save 60 10000
# 如果禁用RDB持久化，可在这里添加 save ""
rdbcompression yes #是否对RDB文件进行压缩，建议设置为no，以（磁盘）空间换（CPU）时间
dbfilename dump.rdb # RDB文件名称
dir /usr/local/redis/datas # RDB文件保存路径，AOF文件也保存在这里

###AOF配置###
appendonly yes # 默认值是no，表示不使用AOF增量持久化的方式，使用RDB全量持久化的方式
appendfsync everysec # 可选值 always， everysec，no，建议设置为everysec

###设置密码###
requirepass 123456 # 设置复杂一点的密码

部署主从复制模式只需稍微调整slave的配置，在redis.conf中添加

replicaof 127.0.0.1 6379 # master的ip，port
masterauth 123456 # master的密码
replica-serve-stale-data no # 如果slave无法与master同步，设置成slave不可读，方便监控脚本发现问题

本示例在单台服务器上配置master端口6379，两个slave端口分别为7001,7002，启动master，再启动两个slave

[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server master.conf
[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave1.conf
[root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave2.conf

进入master数据库，写入一个数据，再进入一个slave数据库，立即便可访问刚才写入master数据库的数据。如下所示

[root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli
127.0.0.1:6379> auth 123456
OK
127.0.0.1:6379> set site blog.jboost.cn
OK
127.0.0.1:6379> get site
"blog.jboost.cn"
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13364738,lag=1
slave1:ip=127.0.0.1,port=7002,state=online,offset=13364738,lag=0
...
127.0.0.1:6379> exit

[root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli -p 7001
127.0.0.1:7001> auth 123456
OK
127.0.0.1:7001> get site
"blog.jboost.cn"

执行info replication命令可以查看连接该数据库的其它库的信息，如上可看到有两个slave连接到master

3. 主从复制的优缺点

优点：

• master能自动将数据同步到slave，可以进行读写分离，分担master的读压力
• master、slave之间的同步是以非阻塞的方式进行的，同步期间，客户端仍然可以提交查询或更新请求

缺点：

• 不具备自动容错与恢复功能，master或slave的宕机都可能导致客户端请求失败，需要等待机器重启或手动切换客户端IP才能恢复
• master宕机，如果宕机前数据没有同步完，则切换IP后会存在数据不一致的问题
• 难以支持在线扩容，Redis的容量受限于单机配置

Sentinel（哨兵）模式

1. 基本原理

哨兵模式基于主从复制模式，只是引入了哨兵来监控与自动处理故障。如图

哨兵顾名思义，就是来为Redis集群站哨的，一旦发现问题能做出相应的应对处理。其功能包括

• 监控master、slave是否正常运行
• 当master出现故障时，能自动将一个slave转换为master（大哥挂了，选一个小弟上位）
• 多个哨兵可以监控同一个Redis，哨兵之间也会自动监控

哨兵模式的具体工作机制：

在配置文件中通过 sentinel monitor <master-name> <ip> <redis-port> <quorum> 来定位master的IP、端口，一个哨兵可以监控多个master数据库，只需要提供多个该配置项即可。哨兵启动后，会与要监控的master建立两条连接：

1. 一条连接用来订阅master的_sentinel_:hello频道与获取其他监控该master的哨兵节点信息
2. 另一条连接定期向master发送INFO等命令获取master本身的信息

与master建立连接后，哨兵会执行三个操作：

1. 定期（一般10s一次，当master被标记为主观下线时，改为1s一次）向master和slave发送INFO命令
2. 定期向master和slave的_sentinel_:hello频道发送自己的信息
3. 定期（1s一次）向master、slave和其他哨兵发送PING命令

发送INFO命令可以获取当前数据库的相关信息从而实现新节点的自动发现。所以说哨兵只需要配置master数据库信息就可以自动发现其slave信息。获取到slave信息后，哨兵也会与slave建立两条连接执行监控。通过INFO命令，哨兵可以获取主从数据库的最新信息，并进行相应的操作，比如角色变更等。

接下来哨兵向主从数据库的_sentinel_:hello频道发送信息与同样监控这些数据库的哨兵共享自己的信息，发送内容为哨兵的ip端口、运行id、配置版本、master名字、master的ip端口还有master的配置版本。这些信息有以下用处：

1. 其他哨兵可以通过该信息判断发送者是否是新发现的哨兵，如果是的话会创建一个到该哨兵的连接用于发送PING命令。
2. 其他哨兵通过该信息可以判断master的版本，如果该版本高于直接记录的版本，将会更新
3. 当实现了自动发现slave和其他哨兵节点后，哨兵就可以通过定期发送PING命令定时监控这些数据库和节点有没有停止服务。

如果被PING的数据库或者节点超时（通过 sentinel down-after-milliseconds master-name milliseconds 配置）未回复，哨兵认为其主观下线（sdown，s就是Subjectively —— 主观地）。如果下线的是master，哨兵会向其它哨兵发送命令询问它们是否也认为该master主观下线，如果达到一定数目（即配置文件中的quorum）投票，哨兵会认为该master已经客观下线（odown，o就是Objectively —— 客观地），并选举领头的哨兵节点对主从系统发起故障恢复。若没有足够的sentinel进程同意master下线，master的客观下线状态会被移除，若master重新向sentinel进程发送的PING命令返回有效回复，master的主观下线状态就会被移除

哨兵认为master客观下线后，故障恢复的操作需要由选举的领头哨兵来执行，选举采用Raft算法：

• 发现master下线的哨兵节点（我们称他为A）向每个哨兵发送命令，要求对方选自己为领头哨兵
• 如果目标哨兵节点没有选过其他人，则会同意选举A为领头哨兵
• 如果有超过一半的哨兵同意选举A为领头，则A当选
• 如果有多个哨兵节点同时参选领头，此时有可能存在一轮投票无竞选者胜出，此时每个参选的节点等待一个随机时间后再次发起参选请求，进行下一轮投票竞选，直至选举出领头哨兵

选出领头哨兵后，领头者开始对系统进行故障恢复，从出现故障的master的从数据库中挑选一个来当选新的master,选择规则如下：

• 所有在线的slave中选择优先级最高的，优先级可以通过slave-priority配置
• 如果有多个最高优先级的slave，则选取复制偏移量最大（即复制越完整）的当选
• 如果以上条件都一样，选取id最小的slave

挑选出需要继任的slave后，领头哨兵向该数据库发送命令使其升格为master，然后再向其他slave发送命令接受新的master，最后更新数据。将已经停止的旧的master更新为新的master的从数据库，使其恢复服务后以slave的身份继续运行。

2. 部署演示

本示例基于Redis 5.0.3版。

哨兵模式基于前文的主从复制模式。哨兵的配置文件为sentinel.conf，在文件中添加

sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 1 # mymaster定义一个master数据库的名称，后面是master的ip， port，1表示至少需要一个Sentinel进程同意才能将master判断为失效，如果不满足这个条件，则自动故障转移（failover）不会执行
sentinel auth-pass mymaster 123456 # master的密码

sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000 # 5s未回复PING，则认为master主观下线，默认为30s
sentinel parallel-syncs mymaster 2 # 指定在执行故障转移时，最多可以有多少个slave实例在同步新的master实例，在slave实例较多的情况下这个数字越小，同步的时间越长，完成故障转移所需的时间就越长
sentinel failover-timeout mymaster 300000 # 如果在该时间（ms）内未能完成故障转移操作，则认为故障转移失败，生产环境需要根据数据量设置该值

一个哨兵可以监控多个master数据库，只需按上述配置添加多套

分别以26379,36379,46379端口启动三个sentinel

[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel1.conf --sentinel
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel2.conf --sentinel
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel3.conf --sentinel

也可以使用redis-sentinel sentinel1.conf 命令启动。此时集群包含一个master、两个slave、三个sentinel，如图，

我们来模拟master挂掉的场景，执行 kill -9 3017 将master进程干掉，进入slave中执行 info replication查看，

[root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7001
127.0.0.1:7001> auth 123456
OK
127.0.0.1:7001> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:7002
master_link_status:up
master_last_io_seconds_ago:1
master_sync_in_progress:0
# 省略
127.0.0.1:7001> exit
[root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7002
127.0.0.1:7002> auth 123456
OK
127.0.0.1:7002> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13642721,lag=1
# 省略

可以看到slave 7002已经成功上位晋升为master（role：master），接收一个slave 7001的连接。此时查看slave2.conf配置文件，发现replicaof的配置已经被移除了，slave1.conf的配置文件里replicaof 127.0.0.1 6379 被改为 replicaof 127.0.0.1 7002。重新启动master，也可以看到master.conf配置文件中添加了replicaof 127.0.0.1 7002的配置项，可见大哥（master）下位后，再出来混就只能当当小弟（slave）了，三十年河东三十年河西。

3. 哨兵模式的优缺点

优点：

• 哨兵模式基于主从复制模式，所以主从复制模式有的优点，哨兵模式也有
• 哨兵模式下，master挂掉可以自动进行切换，系统可用性更高

缺点：

• 同样也继承了主从模式难以在线扩容的缺点，Redis的容量受限于单机配置
• 需要额外的资源来启动sentinel进程，实现相对复杂一点，同时slave节点作为备份节点不提供服务

Cluster模式

1. 基本原理

哨兵模式解决了主从复制不能自动故障转移，达不到高可用的问题，但还是存在难以在线扩容，Redis容量受限于单机配置的问题。Cluster模式实现了Redis的分布式存储，即每台节点存储不同的内容，来解决在线扩容的问题。如图

Cluster采用无中心结构,它的特点如下：

1. 所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽
2. 节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效
3. 客户端与redis节点直连,不需要中间代理层.客户端不需要连接集群所有节点,连接集群中任何一个可用节点即可

Cluster模式的具体工作机制：

1. 在Redis的每个节点上，都有一个插槽（slot），取值范围为0-16383
2. 当我们存取key的时候，Redis会根据CRC16的算法得出一个结果，然后把结果对16384求余数，这样每个key都会对应一个编号在0-16383之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作
3. 为了保证高可用，Cluster模式也引入主从复制模式，一个主节点对应一个或者多个从节点，当主节点宕机的时候，就会启用从节点
4. 当其它主节点ping一个主节点A时，如果半数以上的主节点与A通信超时，那么认为主节点A宕机了。如果主节点A和它的从节点都宕机了，那么该集群就无法再提供服务了

Cluster模式集群节点最小配置6个节点(3主3从，因为需要半数以上)，其中主节点提供读写操作，从节点作为备用节点，不提供请求，只作为故障转移使用。

2. 部署演示

本示例基于Redis 5.0.3版。

Cluster模式的部署比较简单，首先在redis.conf中

port 7100 # 本示例6个节点端口分别为7100,7200,7300,7400,7500,7600
daemonize yes # r后台运行
pidfile /var/run/redis_7100.pid # pidfile文件对应7100,7200,7300,7400,7500,7600
cluster-enabled yes # 开启集群模式
masterauth passw0rd # 如果设置了密码，需要指定master密码
cluster-config-file nodes_7100.conf # 集群的配置文件，同样对应7100,7200等六个节点
cluster-node-timeout 15000 # 请求超时 默认15秒，可自行设置 

分别以端口7100,7200,7300,7400,7500,7600 启动六个实例(如果是每个服务器一个实例则配置可一样)

[root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7100.conf
[root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7200.conf
...

然后通过命令将这个6个实例组成一个3主节点3从节点的集群，

redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:7100 127.0.0.1:7200 127.0.0.1:7300 127.0.0.1:7400 127.0.0.1:7500 127.0.0.1:7600 -a passw0rd

执行结果如图

可以看到 7100， 7200， 7300 作为3个主节点，分配的slot分别为 0-5460， 5461-10922， 10923-16383， 7600作为7100的slave， 7500作为7300的slave，7400作为7200的slave。

我们连接7100设置一个值

[root@dev-server-1 cluster]# redis-cli -p 7100 -c -a passw0rd
Warning: Using a password with '-a' or '-u' option on the command line interface may not be safe.
127.0.0.1:7100> set site blog.jboost.cn
-> Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200
OK
127.0.0.1:7200> get site
"blog.jboost.cn"
127.0.0.1:7200>

注意添加 -c 参数表示以集群模式，否则报 (error) MOVED 9421 127.0.0.1:7200 错误， 以 -a 参数指定密码，否则报(error) NOAUTH Authentication required错误。

从上面命令看到key为site算出的slot为9421，落在7200节点上，所以有Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200，集群会自动进行跳转。因此客户端可以连接任何一个节点来进行数据的存取。

通过cluster nodes可查看集群的节点信息

127.0.0.1:7200> cluster nodes
eb28aaf090ed1b6b05033335e3d90a202b422d6c 127.0.0.1:7500@17500 slave c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 0 1584165266071 5 connected
4cc0463878ae00e5dcf0b36c4345182e021932bc 127.0.0.1:7400@17400 slave 5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 0 1584165267074 4 connected
dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 127.0.0.1:7100@17100 master - 0 1584165266000 1 connected 0-5460
d4b434f5829e73e7e779147e905eea6247ffa5a2 127.0.0.1:7600@17600 slave dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 0 1584165265000 6 connected
5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 127.0.0.1:7200@17200 myself,master - 0 1584165267000 2 connected 5461-10922
c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 127.0.0.1:7300@17300 master - 0 1584165268076 3 connected 10923-16383

我们将7200通过 kill -9 pid杀死进程来验证集群的高可用，重新进入集群执行cluster nodes可以看到7200 fail了，但是7400成了master，重新启动7200，可以看到此时7200已经变成了slave。

3. Cluster模式的优缺点

优点：

1. 无中心架构，数据按照slot分布在多个节点。
2. 集群中的每个节点都是平等的关系，每个节点都保存各自的数据和整个集群的状态。每个节点都和其他所有节点连接，而且这些连接保持活跃，这样就保证了我们只需要连接集群中的任意一个节点，就可以获取到其他节点的数据。
3. 可线性扩展到1000多个节点，节点可动态添加或删除
4. 能够实现自动故障转移，节点之间通过gossip协议交换状态信息，用投票机制完成slave到master的角色转换

缺点：

1. 客户端实现复杂，驱动要求实现Smart Client，缓存slots mapping信息并及时更新，提高了开发难度。目前仅JedisCluster相对成熟，异常处理还不完善，比如常见的“max redirect exception”
2. 节点会因为某些原因发生阻塞（阻塞时间大于 cluster-node-timeout）被判断下线，这种failover是没有必要的
3. 数据通过异步复制，不保证数据的强一致性
4. slave充当“冷备”，不能缓解读压力
5. 批量操作限制，目前只支持具有相同slot值的key执行批量操作，对mset、mget、sunion等操作支持不友好
6. key事务操作支持有线，只支持多key在同一节点的事务操作，多key分布不同节点时无法使用事务功能
7. 不支持多数据库空间，单机redis可以支持16个db，集群模式下只能使用一个，即db 0

Redis Cluster模式不建议使用pipeline和multi-keys操作，减少max redirect产生的场景。

总结

本文介绍了Redis集群方案的三种模式，其中主从复制模式能实现读写分离，但是不能自动故障转移；哨兵模式基于主从复制模式，能实现自动故障转移，达到高可用，但与主从复制模式一样，不能在线扩容，容量受限于单机的配置；Cluster模式通过无中心化架构，实现分布式存储，可进行线性扩展，也能高可用，但对于像批量操作、事务操作等的支持性不够好。三种模式各有优缺点，可根据实际场景进行选择。

参考：

https://blog.csdn.net/q649381130/article/details/79931791

https://www.cnblogs.com/51life/p/10233340.html

https://www.cnblogs.com/chensuqian/p/10538365.html

https://stor.51cto.com/art/201910/604653.htm

到此这篇关于一文掌握Redis的三种集群方案(小结)的文章就介绍到这了,更多相关Redis 集群内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！