Redis 高可用
什么是高可用
在web服务器中，高可用是指服务器可以正常访问的时间，衡量的标准是在多长时间内可以提供正常服务(99.9%、99.99%、99.999%等等)。
但是在Redis语境中，高可用的含义似乎要宽泛一些，除了保证提供正常服务（如主从分离、快速容灾技术），还需要考虑数据容量的扩展、数据安全不会丢失等
Redis的高可用技术
在Redis中，实现高可用的技术主要包括持久化、主从复制、哨兵和cluster集群，下面分别说明它们的作用，以及解决了什么样的问题
-
持久化： 持久化是最简单的高可用方法（有时甚至不被归为高可用的手段），主要作用是数据备份，即将数据存储在硬盘，保证数据不会因进程退出而丢失。
-
主从复制： 主从复制是高可用Redis的基础，哨兵和集群都是在主从复制基础上实现高可用的。主从复制主要实现了数据的多机备份（和同步），以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。
- 缺陷：故障恢复无法自动化；写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。
-
哨兵： 在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。（主挂了，找一个从成为新的主，哨兵节点进行监控）
- 缺陷：写操作无法负载均衡；存储能力受到单机的限制。
-
Cluster集群： 通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。（6台起步，成双成对，3主3从）
Redis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
主从复制的作用
- 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。
主从复制流程
（1）若启动一个slave机器进程,则它会向Master机器发送一个sync command命令，请求同步连接。
（2）无论是第一次连接还是重新连接，Master机器都会启动一个后台进程，将数据快照保存到数据文件中（执行rdb操作），同时Master还会记录修改数据的所有命令并缓存在数据文件中.
（3）后台进程完成缓存操作之后，Master机器就会向slave机器发送数据文件，slave端机器将数据文件保存到硬盘上，然后将其加载到内存中，接着Master机器就会将修改数据的所有操作一并发送给slave端机器。若slave出现故障导致宕机，则恢复正常后会自动重新连接。
（4）Master机器收到slave端机器的连接后，将其完整的数据文件发送给slave端机器，如果Mater同时收到多个slave发来的同步请求，则Master会在后台启动一个进程以保存数据文件，然后将其发送给所有的slave端机器，确保所有的slave端机器都正常
搭建Redis主从复制
实验环境：
| 主从 | 虚机 | IP地址 |
|---|---|---|
| master | centos7-1 | 192.168.137.10 |
| slave1 | centos7-2 | 192.168.137.20 |
实验步骤
所有节点安装Redis
#关闭防火墙
systemctl stop firewalld
setenforce 0
#安装环境依赖包，下载编译工具
yum install -y gcc gcc-c++ make
#上传软件包并解压
cd /opt/
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
cd /opt/redis-5.0.7/
#开2核编译安装，指定安装路径为/usr/local/redis
make -j2 && make PREFIX=/usr/local/redis install
#由于Redis源码包中直接提供了Makefile 文件，所以在解压完软件包后，不用先执行./configure 进行配置，可直接执行make与make install命令进行安装。
#执行软件包提供的install_server.sh 脚本文件，设置Redis服务所需要的相关配置文件
cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
.......#一直回车
Please select the redis executable path [] /usr/local/redis/bin/redis-server
#这里默认为/usr/local/bin/redis-server，需要手动修改为/usr/local/redis/bin/redis-server，注意要一次性正确输入
---------------------- 虚线内是注释 ----------------------------------------------------
Selected config:
Port: 6379 #默认侦听端口为6379
Config file: /etc/redis/6379.conf #配置文件路径
Log file: /var/log/redis_6379.log #日志文件路径
Data dir : /var/lib/redis/6379 #数据文件路径
Executable: /usr/local/redis/bin/redis-server #可执行文件路径
Cli Executable : /usr/local/bin/redis-cli #客户端命令工具
-----------------------------------------------------------------------------------
#当install_server.sh 脚本运行完毕，Redis 服务就已经启动，默认监听端口为6379
netstat -natp | grep redis
#把redis的可执行程序文件放入路径环境变量的目录中，便于系统识别
ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/
#Redis服务控制
/etc/init.d/redis_6379 stop #停止
/etc/init.d/redis_6379 start #启动
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启
/etc/init.d/redis_6379 status #查看状态
修改master节点的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0 #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
daemonize yes #137行，开启守护进程，后台启动
logfile /var/log/redis_6379.log #172行，指定日志文件存放目录
dir /var/lib/redis/6379 #264行，指定工作目录
appendonly yes #700行，开启AOF持久化功能
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启redis服务
修改slave节点的配置文件
#修改slave1的配置文件
vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0 #70行,修改监听地址为0.0.0.0（生产环境中需要填写物理网卡的IP）
daemonize yes #137行,开启守护进程，后台启动
logfile /var/log/redis_6379.log #172行,指定日志文件目录
dir /var/lib/redis/6379 #264行,指定工作目录
replicaof 192.168.137.10 6379 #288行,指定要同步的Master节点的IP和端口
appendonly yes #700行,修改为yes，开启AOF持久化功能
/etc/init.d/redis_6379 restart #重启redis
netstat -natp | grep redis #查看主从服务器是否已建立连接
验证主从效果
主节点查看日志，并插入一条数据
[root@192 utils]# tail /var/log/redis_6379.log
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Reading RDB base file on AOF loading...
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Loading RDB produced by version 7.0.9
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB age 32 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB memory usage when created 0.82 Mb
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * RDB is base AOF
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Done loading RDB, keys loaded: 0, keys expired: 0.
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * DB loaded from base file appendonly.aof.1.base.rdb: 0.000 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * DB loaded from append only file: 0.000 seconds
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Opening AOF incr file appendonly.aof.1.incr.aof on server start
8339:M 28 May 2023 16:50:13.198 * Ready to accept connections
[root@192 utils]# redis-cli
127.0.0.1:6379> set name cxk
OK
127.0.0.1:6379> kes *
(error) ERR unknown command 'kes', with args beginning with: '*'
127.0.0.1:6379> keys *
1) "name"
127.0.0.1:6379> get name
"cxk"
从节点查看
Redis哨兵模式
主从切换技术的方法是：当服务器宕机后，需要手动一台从机切换为主机，这需要人工干预，不仅费时费力而且还会造成一段时间内服务不可用。为了解决主从复制的缺点，就有了哨兵机制。
哨兵的核心功能：在主从复制的基础上，哨兵引入了主节点的自动故障转移
哨兵模式的作用
-
监控： 哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常。
-
自动故障转移： 当主节点不能正常工作时，哨兵会开始自动故障转移操，它会将失效主节点的其中一个从节点升级为新的主节点，并让其它从节点改为复制新的主节点。
-
通知（提醒）： 哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端
哨兵结构
哨兵节点： 哨兵系统由一个或多个哨兵节点组成，哨兵节点是特殊的redis节点，不存储数据。
数据节点： 主节点和从节点都是数据节点
故障转移机制1、由哨兵节点定期监控发现主节点是否出现了故障
每个哨兵节点每隔1秒会问主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心检测。如果主节点在一定时间范围内不回复或者是回复一个错误消息，那么这个哨兵就会认为这个主节点主观下线了（单方面的）。当超过半数哨兵节点认为该主节点主观下线了，这样就客观下线了。
2、当主节点出现故障，此时哨兵节点会通过Raft算法（选举算法）实现选举机制共同选举出一个哨兵节点为leader，来负责处理主节点的故障转移和通知。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点。
3、由leader哨兵节点执行故障转移，过程如下：
- 将某一个从节点升级为新的主节点，让其它从节点指向新的主节点；
- 若原主节点恢复也变成从节点，并指向新的主节点；
- 通知客户端主节点已经更换。
需要特别注意的是，客观下线是主节点才有的概念；如果从节点和哨兵节点发生故障，被哨兵主观下线后，不会再有后续的客观下线和故障转移操作
主节点的选举
1.过滤掉不健康的（己下线的），没有回复哨兵ping响应的从节点。
2.选择配置文件中从节点优先级配置最高的。（replica-priority，默认值为100）
3.选择复制偏移量最大，也就是复制最完整的从节点。
哨兵的启动依赖于主从模式，所以须把主从模式安装好的情况下再去做哨兵模式
搭建Redis哨兵模式
实验环境：
| 节点 | 虚机 | IP地址 |
|---|---|---|
| master | centos7-1 | 192.168.137.10 |
| slave1 | centos7-2 | 192.168.137.15 |
| slave2 | centos7-3 | 192.168.137.20 |
| Sentinel-1 | centos7-4 | 192.168.137.30 |
| Sentinel-2 | centos7-5 | 192.168.137.40 |
| Sentinel-3 | centos7-6 | 192.168.137.50 |
生产环境中使用对应数量节点的服务器作为哨兵节点，实验环境中如果电脑性能不够可以把哨兵搭建在原虚机上
实验步骤
所有节点安装Redis
master和slave部署Redis主从复制
修改Sentinel-1的配置文件，之后scp传给另外2个哨兵节点
vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
......
protected-mode no #17行，取消注释，关闭保护模式
port 26379 #21行，Redis哨兵默认的监听端口
daemonize yes #26行，指定sentinel为后台启动
logfile "/var/log/sentinel.log" #36行，指定日志文件存放路径
dir "/var/lib/redis/6379" #65行，指定数据库存放路径
sentinel monitor mymaster 192.168.137.10 6379 2 #84行，修改
#指定该哨兵节点监控192.168.121.10:6379这个主节点，该主节点的名称是mymaster。
#最后的2的含义与主节点的故障判定有关：至少需要2个哨兵节点同意，才能判定主节点故障并进行故障转移
sentinel down-after-milliseconds mymaster 3000 #113行，判定服务器down掉的时间周期，默认30000毫秒（30秒）
sentinel failover-timeout mymaster 180000 #146行，同一个sentinel对同一个master两次failover之间的间隔时间（180秒）
#传给两外2个哨兵节点
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf 192.168.137.40:/opt/redis-5.0.7/
scp /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf 192.168.137.50:/opt/redis-5.0.7/
启动哨兵模式（所有哨兵节点操作）
#启动三台哨兵
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &
查看哨兵信息
#在哨兵节点查看
[root@localhost ~]# redis-cli -p 26379 info Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1 #一台主节点
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.137.10:6379,slaves=2,sentinels=3
#可以看到主节点地址，2台从节点，3台哨兵
模拟故障
#在Master 上查看redis-server进程号:
[root@localhost ~]# ps -ef | grep redis
root 71245 1 0 6月19 ? 00:00:05 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root 71983 66681 0 00:59 pts/1 00:00:00 grep --color=auto redis
#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# kill -9 71245 #Master节点上redis-server的进程号
[root@localhost ~]# netstat -natp | grep redis
#在哨兵上查看日志，验证master是否切换至从服务器
[root@localhost redis-5.0.7]# tail -f /var/log/sentinel.log
7084:X 20 Jun 2022 00:46:58.869 * +sentinel sentinel ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 192.168.137.40 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 00:47:56.595 * +sentinel sentinel d59ba9daf957b704715feeee3c53bd1bf8b3a5d8 192.168.137.50 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.484 # +sdown master mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.561 # +new-epoch 1
7084:X 20 Jun 2022 01:01:33.561 # +vote-for-leader ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 1
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.476 # +config-update-from sentinel ce975c271f86d8f6e0b80162529752b754ecfc69 192.168.137.40 26379 @ mymaster 192.168.137.10 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.476 # +switch-master mymaster 192.168.137.10 6379 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.477 * +slave slave 192.168.137.15:6379 192.168.137.15 6379 @ mymaster 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:01:34.477 * +slave slave 192.168.137.10:6379 192.168.137.10 6379 @ mymaster 192.168.121.30 6379
7084:X 20 Jun 2022 01:02:04.493 # +sdown slave 192.168.137.10:6379 192.168.137.10 6379 @ mymaster 192.168.137.20 6379
#在哨兵上查看主节点是否切换成功
[root@localhost ~]# redis-cli -p 26379 info Sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=192.168.137.20:6379,slaves=2,sentinels=3
Redis 集群模式
集群，即Redis Cluster，是Redis3.0开始引入的分布式存储方案。
集群由多个节点（Node）组成，Redis的数据分布在这些节点中。集群中的节点分为主节点和从节点：只有主节点负责读写请求和集群信息的维护；从节点只进行主节点数据和状态信息的复制
集群的作用
（1）数据分区： 数据分区（或称数据分片）是集群最核心的功能。
- 集群将数据分散到多个节点，一方面突破了Redis单机内存大小的限制，存储容量大大增加；另一方面每个主节点都可以对外提供读服务和写服务，大大提高了集群的响应能力。
- Redis单机内存大小受限问题，在介绍持久化和主从复制时都有提及；例如，如果单机内存太大，bgsave和bgrewriteaof的fork操作可能导致主进程阻塞，主从环境下主机切换时可能导致从节点长时间无法提供服务，全量复制阶段主节点的复制缓冲区可能溢出。
（2）高可用： 集群支持主从复制和主节点的自动故障转移（与哨兵类似）；当任一节点发生故障时，集群仍然可以对外提供服务。
通过集群，Redis解决了写操作无法负载均衡，以及存储能力受到单机限制的问题，实现了较为完善的高可用方案。
Redis集群的数据分片
Redis集群引入了哈希槽的概念。
Redis集群有16384个哈希槽（编号0-16383）。
集群的每个节点负责一部分哈希槽。
每个Key通过CRC16校验后对16384取余来决定放置哪个哈希槽，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
集群模式的主从复制模型
- 集群中具有A、B、C三个节点，如果节点B失败了，整个集群就会因缺少5461-10922这个范围的槽而不可以用。
- 为每个节点添加一个从节点A1、B1、C1整个集群便有三个Master节点和三个slave节点组成，在节点B失败后，集群选举B1位为主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用
搭建 Redis 集群
实验步骤：
所有节点安装Redis
开启集群功能
cd /opt/redis-5.0.7/
vim redis.conf
......
bind 192.168.137.10 #69行，修改为监听自己的物理网卡IP
protected-mode no #88行，修改为no，关闭保护模式
port 6379 #92行，redis默认监听端口
daemonize yes #136行，开启守护进程，以独立进程启动
appendonly yes #700行，修改为yes，开启AOF持久化
cluster-enabled yes #832行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6379.conf #840行，取消注释，群集名称文件设置
cluster-node-timeout 15000 #846行，取消注释，群集超时时间设置
#将文件传给另外5个节点，之后每个节点要修改监听地址为自己的IP
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.15:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.20:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.30:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.40:`pwd`
[root@localhost redis-5.0.7]# scp redis.conf 192.168.137.50:`pwd`
所有节点启动redis服务
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-server redis.conf #启动redis节点
启动集群
在任意一个节点启动集群即可。
redis-cli --cluster create 192.168.137.10:6379 192.168.137.15:6379 192.168.137.20:6379 192.168.137.30:6379 192.168.137.40:6379 192.168.137.50:6379 --cluster-replicas 1
#六个主机分为三组，三主三从，前面的做主节点后面的做从节点下免交互的时候需要输入yes才可以创建 "-replicas 1"表示每个主节点有一个从节点
#前三台为Master，后三台为Slave
测试集群
#加-c参数，节点之间就可以互相跳转
redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c
#查看节点的哈希槽编号范围
cluster slots
#赋值
set name yuji
#查看键的哈希槽编号
cluster keyslot 键名
[root@mas ~]# redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c
192.168.121.10:6379> cluster slots #查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 10923 #第一对主从的哈希槽编号范围
2) (integer) 16383
3) 1) "192.168.137.15" #主节点
2) (integer) 6379
3) "5f117a3e204d1d6f6dc924ad8b39034a8e9f3261"
4) 1) "192.168.137.30" #从节点
2) (integer) 6379
3) "4a05a086eec06fa4da58b15512d1c81184bc5ee5"
2) 1) (integer) 5461 #第二对主从的哈希槽编号范围
2) (integer) 10922
3) 1) "192.168.121.20" #主节点
2) (integer) 6379
3) "3008bba29dfbf342bc448ba3062b0a331c8d009e"
4) 1) "192.168.137.50" #从节点
2) (integer) 6379
3) "ee61a4709d6420bb540b2c28218fdd2dfe358b7a"
3) 1) (integer) 0 #第三对主从的哈希槽编号范围
2) (integer) 5460
3) 1) "192.168.137.10" #主节点
2) (integer) 6379
3) "d1ddb554b3edaebefa6672b2f1f8171393e1f7f3"
4) 1) "192.168.137.40" #从节点
2) (integer) 6379
3) "71e1f705ce01ca31ab16fa3cf07d7e6cbfab5978"
192.168.121.10:6379>
#在10节点新建name键，会自动跳转到20节点进行存放
192.168.121.10:6379> set name yuji
-> Redirected to slot [5798] located at 192.168.137.15:6379
OK
192.168.121.20:6379> cluster keyslot name #查看name键的哈希槽编号
(integer) 5798
192.168.121.20:6379> quit #退出数据库
[root@mas ~]# redis-cli -h 192.168.137.10 -p 6379 -c #重新登录10节点
192.168.121.10:6379> keys * #10节点中没有name键
(empty list or set)
192.168.121.10:6379> get name #查看name键的值，会根据键的哈希槽编号自动跳转到20节点进行获取
-> Redirected to slot [5798] located at 192.168.137.15:6379
"yuji"
192.168.121.20:6379> #已跳转到20节点