【Redis二三事】Redis的主从复制机制

温文艾尔 发表于 2021/12/29 11:18:33 2021/12/29
【摘要】 大家好,我是新人博主温文艾尔,我会把学习过程中的笔记总结分享给大家,感谢大家支持

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⭐️1 主从复制

⭐️1.1 主从复制简介

了解主从复制之前,你的redis是否高可用?
如果我们的redis是单机的就会存在一定的风险

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

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:没钱,硬件条件跟不上
  • 结论:硬件的发展速度直接决定软件的技术,内存上不去,redis存储的数据量就很低,这样下去就会放弃redis

因此:

为了避免Redis服务器故障造成重大损失,我们准备多台服务器,互相来南通。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

1.1.1多台服务器连接方案

我们让主服务器专门负责写数据,下面的从属计算机专门负责读数据,数据由主服务器提供给从属服务器,这样的话我们的数据有多个备份,也就实现了高可用

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提供数据方:master

  • 我们可以称之为:==主服务器,主节点,主库,主客户端==

接收数据方:slave

  • 我们可以称之为:==从节点,从库,从客户端==

需要解决的问题

  • 数据同步:master的数据复制到slave

这样,我么从主服务器向从服务器复制数据,就是主从复制

⭐️1.2 主从复制

==主从复制即:将master中的数据及时,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
  • slave
    • 读数据
可能会有人说:master的压力过大崩溃了怎么办,不要着急,我们后面会说到的的哨兵模式就是为了解决这一问题的
除此之外,当我们的master压力很大时,我们可以在某一个slave上给其追加从属服务器,例如下图,所以说,
master和slave是一种相对的概念

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⭐️1.2.1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

⭐️1.3 主从复制工作流程

主从复制过程大体可以分为3个阶段

  1.建立连接阶段(即准备阶段)
  2.数据同步阶段
  3.命令传播阶段

流程图解:
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⭐️1.3.1 建立连接阶段步骤

建立slave到master的连接,使master能够识别slave,并保存slave端口号

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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!

最终状态:

slave:

  • ==保存master的地址与端口==

master:

  • ==保存slave的端口==

总体:

  • ==之间创建了连接的socket==
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 maxterport
方式三:服务器配置(主流方式,建议使用)
  • slaveof masterip masterport
主从断开连接
  • 客户端发送命令
  • slaveof no one

下面对这三种方式分别进行操作演示

我们以6739端口的服务器为master,以6380端口的服务器为slave进行操作

==进入6379服务器关掉守护进程配置与日志==

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==6380服务器同样==
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==启动master及slave==
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方式一:在slave端发送连接请求

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我们查看slave的日志信息
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发现连接过程中master与slave的信息已经同步

我们测试一下在master中set一个数据并在slave看能不能获取

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方式一成功

方式二:启动slave时直接与master进行连接

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我们测试一下在master中set一个数据并在slave看能不能获取
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方式二成功

现在上面这样种方式都不是主流方式,主流的是直接在配置文件中进行设置

方式三:设置配置文件

==修改slave的配置文件,添加如箭头所指的配置==

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==添加完毕我们启动slave,并查看信息是否同步==
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方式三成功

⭐️1.3.2 数据同步阶段步骤

在slave初次连接master后,会复制master中的所有数据到slave,数据同步阶段包括全量复制与部分复制

也就是将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

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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(以上阶段为全量复制)
步骤4:请求部分同步数据(同步的是缓冲区中的指令引起的数据)
步骤5:恢复部分同步数据(此过程会执行bgrewriteaof重写操作,恢复数据,步骤4,步骤5阶段为部分复制)

至此数据同步工作完成

全量复制

  • 获取发指令的那一刻开始原来的所有数据

部分复制

  • 恢复进行RDB过程中对应的所有数据

最终状态:

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

总体

  • 之间完成了数据克隆

⭐️1.3.2.1 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堵塞,影响业务正常执行

  • 复制缓冲区大小设置不合理,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

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我们可以通过配置修改缓冲区的大小
  • repl-backlog-size lmb
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

⭐️1.3.2.2 数据同步阶段slave说明

- 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(当主服务器挂掉时是否提供过期数据)

- 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请求,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

⭐️1.3.2.3 命令传播阶段步骤

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

一句话就是实时保持主从之间的数据同步

命令传播阶段的部分复制

  • 命令传播阶段出现了断网情况
    • 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)
    • 主服务器的复制偏移量积压缓冲区
    • 主从服务器的复制偏移量

下面我们对这三个核心要素分别进行叙述

⭐️1.3.2.4 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

我们输入info server命令查看服务器运行id

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⭐️1.3.2.5 主服务器的复制偏移量积压缓冲区

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毛病存储在复制缓冲区

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收到主用户端的指令时,除了将指令执行,会将该指令存储到缓冲区中==

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复制缓冲区内部工作原理

当master接到一个指令,例如set name itheima,它会把指令拆解开放进复制缓冲区,指令在缓冲区的形式为

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为了区分各个字符,每个字符都有自己的编号

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==所以复制缓冲区由两部分组成==

  • 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

⭐️1.3.2.6 主从服务器的复制偏移量(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:接受一次记录一次

==作用:同步信息,对比master与slave的差异,当slave断线后,恢复数据使用==

⭐️1.3.3 数据同步+命令传播阶段步骤

这部分比较复杂,大家可以看着流程图和我的叙述进行理解

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现在是数据同步阶段:

首先进行全量复制
slave向master发送指令,请求数据同步,执行psync2  <runid>  <offset>指令,此时slave并不知道master的
runid与offset,故发送的指令形式为psync2    ?    -1
master收到来自slave的指令,执行bgsave生成RDB文件,记录当前的复制偏移量offset,接收的offset值为-1
因为接收到offset=-1,故master采用全量同步,将会把所有信息都发送过去,顺带自己的runid与offset,发送的
指令为+FULLRESYNC runid offset
slave收到+FULLRESYNC,保存master的runid和offset,清空当前全部数据,通过socket接收RDB文件,恢复RDB
数据,至此全量复制结束

接下来进行部分复制

期间master接收客户端命令后(这里的期间指全量复制期间),offset发生了变化,全量复制之后slave会发送指令
请求master将剩余的信息进行发送,发送的命令是psync2 runid offset


接下来进入命令传播阶段:

==master接收到psync2 指令后,==

  • 先判断runid是否匹配(不匹配证明不是一台机器),然后判定offset是否在复制缓冲区中,如果runid或offset有一个不满足,就会再次执行全量复制

  • 如果runid或offset检验通过

    • slave发送的offset与master缓冲区中的offset相同,则忽略,证明全量复制期间没有其他数据进入缓冲区
    • slave发送的offset与master缓冲区中的offset不相同,则发送+CONTINUE offset指令,通过socket发送复制缓冲区中slave发送的offset到master本身的offset的数据

slave收到master发送的+COUNTINUE指令,保存master的offset,接收信息后,执行bgrewriteaof对部分复制的指令进行重写,恢复数据,随后因为心跳机制的原因,slave周期性的向master发送请求以汇报自己的offset,获取最新的指令变更

⭐️1.3.3.1 心跳机制

传播阶段master与slave之间的联系是反复进行的,而这种反复进行的机制是由心跳包来控制的
  • ==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

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==如果lag不为1或者0,证明可能在ping某些时候可能丢过==

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,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数量是由slave发送REPLCONF ACK命令做确认==
  • ==slave延迟是由slave发送REPLCONF ACK命令做确认==

14 主从复制工作流程完整图示

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