nosql之redis集群

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一、redis集群

1.单节点redis服务器带来的问题

（1）单点故障、服务不可用

（2）无法处理大量的并发数据请求

（3）数据丢失

2.集群redis

（1）提供在多个redis节点间共享数据的程序集

（2）redis集群并不支持处理多个keys命令，因需在不同的节点间移动数据，从而达不到像redis那样的性能，在高负载的情况下，可能会导致不同预判的错误

（3）通过分区来提供一定程度的可用性

3.集群的优势

（1）自动分割数据到不同的节点上

（2）整个集群的部分节点失败或者不可达的情况下能够继续处理命令

4.redis集群的实现方法

（1）有客户端分片

（2）代理分片

（3）服务器端分片

5.redis群集的三种模式

redis群集有三种模式，分别是主从同步/复制、哨兵模式、Cluster集群

5.1 主从复制

（1）概念作用

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，以及对于读操作的负载均衡和简单的故障恢复。

（2）主从复制的缺陷

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。

5.2 哨兵

（1）作用

在主从复制的基础上，哨兵实现了自动化的故障恢复。

（2）哨兵缺陷

写操作无法负载均衡；

存储能力受到单机的限制；

哨兵无法对从节点进行自动故障转移，在读写分离场景下，从节点故障会导致读服务不可用，需要对从节点做额外的监控、切换操作。

5.3 集群

（1）作用

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。

二、Redis 主从复制

1.主从复制的概念

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。

2.主从复制的作用

（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。

3.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。

4.搭建Redis 主从复制

Master节点： 192.168.245.112
Slave1节点： 192.168.245.113
Slave2节点： 192.168.245.114

systemctl stop firewalld
setenforce 0

4.1 安装 Redis

#安装需要的编译和构建 C/C++ 程序所需的基本工具。
yum install -y gcc gcc-c++ make
#导入安装包解压安装
tar zxvf redis-5.0.7.tar.gz -C /opt/
方法二：#在线下载redis安装包
wget -p /opt http://download.redis.io/releases/redis-5.0.9.tar.gz

cd /opt/redis-5.0.7/
make
make PREFIX=/usr/local/redis install

cd /opt/redis-5.0.7/utils
./install_server.sh
......
Please select the redis executable path [/usr/local/bin/redis-server] /usr/local/redis/bin/redis-server  	

ln -s /usr/local/redis/bin/* /usr/local/bin/

4.2 修改 Redis 配置文件（Master节点操作）

#实际环境中是这个配置文件名redis.conf
vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0						#70行，修改监听地址为0.0.0.0
daemonize yes						#137行，开启守护进程
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
appendonly yes						#700行，开启AOF持久化功能

/etc/init.d/redis_6379 restart

4.3 修改 Redis 配置文件（Slave1、2节点操作）

vim /etc/redis/6379.conf
bind 0.0.0.0						#70行，修改监听地址为0.0.0.0
daemonize yes						#137行，开启守护进程
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		#288行，指定要同步的Master节点IP和端口
replicaof 192.168.245.112 6379
appendonly yes						#700行，开启AOF持久化功能

/etc/init.d/redis_6379 restart

4.4 验证主从

#在Master节点上看日志：
tail -f /var/log/redis_6379.log 

 在Master节点上验证从节点：
redis-cli info replication

三、Redis 哨兵模式

1.哨兵模式的出现

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。

2.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。

3.哨兵模式原理

哨兵(sentinel):是一个分布式系统，用于对主从结构中的每台服务器进行监控，当出现故障时通过投票机制选择新的 Master并将所有slave连接到新的 Master。所以整个运行哨兵的集群的数量不得少于3个节点。

4.哨兵模式的作用

（1）监控：哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常。

（2）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作，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。

（3）通知（提醒）：哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端。

5.哨兵结构

由两部分组成，哨兵节点和数据节点：

（1）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。
（2）数据节点：主节点和从节点都是数据节点。

6.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秒会向主节点、从节点及其它哨兵节点发送一次ping命令做一次心跳检测。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。

注：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。

7.主节点的选举

（1）过滤掉不健康的（已下线的），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

8.搭建Redis 哨兵模式

Master节点： 192.168.245.112
Slave1节点： 192.168.245.113
Slave2节点： 192.168.245.114

systemctl stop firewalld
setenforce 0

8.1修改 Redis 哨兵模式的配置文件（所有节点操作）

vim /opt/redis-5.0.7/sentinel.conf
protected-mode no								#17行，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 192.168.245.112 6379 2	#84行，修改 指定该哨兵节点监控192.168.198.13:6379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 30000	#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，故障节点的最大超时时间为180000（180秒）

8.2启动哨兵模式

先启master，再启slave
cd /opt/redis-5.0.7/
redis-sentinel sentinel.conf &

8.3 查看哨兵信息

8.4 故障模拟

#查看redis-server进程号
[root@master redis-5.0.7]#  ps -ef | grep redis
root      58849      1  0 17:23 ?        00:00:01 /usr/local/redis/bin/redis-server 0.0.0.0:6379
root      59027      1  0 17:40 ?        00:00:00 redis-sentinel *:26379 [sentinel]
root      59043  15925  0 17:42 pts/2    00:00:00 grep --color=auto redis

#杀死 Master 节点上redis-server的进程号
kill -9 57031			#Master节点上redis-server的进程号

四、 Redis 群集模式

1.群集模式概念

集群，即Redis Cluster，是Redis 3.0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。

2.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。

3.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

3.1 以3个节点组成的集群为例

节点A包含0到5460号哈希槽
节点B包含5461到10922号哈希槽
节点C包含10923到16383号哈希槽

4.Redis集群的主从复制模型

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位为的主节点继续服务。当B和B1都失败后，集群将不可用。

5.搭建Redis 群集模式

5.1 搭建环境

redis的集群一般需要6个节点，3主3从。方便起见，这里所有节点在同一台服务器上模拟：
以端口号进行区分：3个主节点端口号：6001/6002/6003，对应的从节点端口号：6004/6005/6006。

cd /etc/redis/
mkdir -p redis-cluster/redis600{1..6}

for i in {1..6}
do
cp /opt/redis-5.0.7/redis.conf /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
cp /opt/redis-5.0.7/src/redis-cli /opt/redis-5.0.7/src/redis-server /etc/redis/redis-cluster/redis600$i
done

5.2 开启群集功能

#其他5个文件夹的配置文件以此类推修改，注意6个端口都要不一样。
cd /etc/redis/redis-cluster/redis6001
vim redis.conf 
#bind 127.0.0.1							#69行，注释掉bind 项，默认监听所有网卡
protected-mode no						#88行，修改，关闭保护模式
port 6001								#92行，修改，redis监听端口，
daemonize yes							#136行，开启守护进程，以独立进程启动
cluster-enabled yes						#832行，取消注释，开启群集功能
cluster-config-file nodes-6001.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
appendonly yes							#699行，修改，开启AOF持久化

5.3 启动redis节点

#分别进入那六个文件夹，执行命令：redis-server redis.conf ，来启动redis节点
cd /etc/redis/redis-cluster/redis6001
redis-server redis.conf

for d in {1..6}
do
cd /etc/redis/redis-cluster/redis600$d
redis-server redis.conf
done

ps -ef | grep redis

5.4 启动集群

redis-cli --cluster create 127.0.0.1:6001 127.0.0.1:6002 127.0.0.1:6003 127.0.0.1:6004 127.0.0.1:6005 127.0.0.1:6006 --cluster-replicas 1
#六个实例分为三组，每组一主一从，前面的做主节点，后面的做从节点。下面交互的时候 需要输入 yes 才可以创建。
--replicas 1 表示每个主节点有1个从节点。

5.5 测试群集

#查看群集
redis-cli -p 6001 -c					#加-c参数，节点之间就可以互相跳转
127.0.0.1:6001> cluster slots			#查看节点的哈希槽编号范围
1) 1) (integer) 109232) (integer) 16383                              #哈希槽编号范围3) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 6003                            #主节点IP和端口号3) "f516734dc80098e6f7fcdc0dc4c180e881e18b57"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 6005                            #从节点IP和端口号3) "d8f64cf51e2f922866de49f3d5d8e732ba5df6f3"
2) 1) (integer) 02) (integer) 54603) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60013) "76e9f1954003563f2b2c53fa16ddd4c1f353704c"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60063) "fbf75bf25f307de353aa661d7075b76adb798a70"
3) 1) (integer) 54612) (integer) 109223) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60023) "60ffb411297c72a8b31d09b02dadb63f1b72dd90"4) 1) "127.0.0.1"2) (integer) 60043) "014ae72a43bde5cb012763e02430e4e4c328f942"  

#登入测试
127.0.0.1:6001> set name zhangsan
OK

#查看name键的槽编号
127.0.0.1:6001> cluster keyslot name
(integer) 5798

[root@master redis6006]# redis-cli -p 6004 -c
127.0.0.1:6004> keys *                                              #对应的slave节点也有这条数据，但是别的节点没有
1) "name"