13. 主从复制

互联网三高架构

互联网“三高”架构：

  • 高并发
  • 高性能
  • 高可用

大数据时代的“3V”：

  • 海量（Volume）
  • 多样（Variety）
  • 实时（Velocity）

可用性：（全年的秒数 - 当年宕机停用的秒数）/ 全年的秒数 * 100%。

高可用：业界高可用性目标5个9（即99.999%)，即服务器年宕机时长低于315秒，约5.25分钟。

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。

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
    • 读数据（可忽略）
  • slave
    • 读数据
    • 写数据（禁止）

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

工作流程

大致分为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

建立连接阶段

步骤：

  1. 设置master的地址和端口，保存master信息
  2. 建立socket连接
  3. 发送ping指令（定时器任务）
  4. 身份验证
  5. 发送slave端口信息
  6. 主从连接成功
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slave->master: 发送指令：slaveof ip port
master->slave: 接收到指令，响应给slave
note left of slave: 保存master的IP与端口 \n masterhost \n masterport
note left of slave: 根据保存的信息,\n 创建连接master的socket 
slave->master: 周期性发送指令：ping
master->slave: 响应pong
note right of master: 验证授权
slave->master: 发送指令：replconf listening-port <port-number>
note right of master: 保存slave的端口号

最终状态：

slave端：保存master的地址和端口

master端：保存slave的端口

总体：slave和master之间创建了socket连接

主从连接（slave连接master）方式：

  • 方式一：客户端发送命令

启动slave服务器之后，在slave服务器的客户端使用slaveof指令

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slaveof <masterip> <masterport>
  • 方式二：启动服务器时，添加参数
1
redis-server --slaveof <masterip> <masterport>
  • 方式三：服务器配置
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slaveof <masterip> <masterport>
  • slave系统信息
    • master_link_down_since_seconds
    • masterhost
    • masterport
  • master系统信息
    • slave_listening_port(多个)

主从断开连接：

  • 在从机客户端发送指令：
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slaveof no one

授权访问：

master服务器设置密码：

  • master配置文件设置密码
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requirepass <password>
  • master客户端发送命令设置密码
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config set requirepass <password>
config get requirepass

slave访问带有密码的master：

  • slave客户端发送命名设置密码
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auth <password>
  • slave配置文件设置密码
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masterauth <password>
  • 启动客户端设置密码
1
redis-cli -a <password>

数据同步阶段

在slave初次连接master后，复制master中所有数据到slave。

将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态。

步骤：

  1. 请求同步数据
  2. 创建RDB同步数据
  3. 恢复RDB同步数据

以上称为全量复制。

  1. 请求部分同步数据
  2. 恢复部分同步数据

在slave连接master时，master将自己的数据创建RDB快照给slave。在这个过程中，master可能会收到其他的数据操作指令，master会创建一个复制积压缓冲区，保存这些不在RDB快照中的操作。最后将复制积压缓冲区内容发给slave，slave使用aof的方式将最后的部分同步数据进行恢复。这个操作称为部分复制。

  1. 数据同步工作完成
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slave->master: 发送指令：psync2
note right of master: 执行bgsave，\n使用RDB同步数据
note right of master: 第一个slave连接时,\n 创建复制积压缓冲区。\n(复制积压缓冲区作用：存储在slave连接过程中\nmaster接收到的数据操作指令)
master->slave: 生成RDB文件，通过socket发送给slave
note left of slave: 接收RDB,清空数据，\n 执行RDB文件恢复过程
slave->master: 发送命令告知RDB恢复已经完成
master->slave: 发送复制积压缓冲区信息
note left of slave: 接收复制积压缓冲区内的数据操作指令，\n 执行bgrewriteaof恢复数据

最终状态：

slave端：具有master端全部数据，包含RDB过程中接收的数据。

master端：保存slave当前数据同步的位置。

总体：之间完成数据克隆

master端注意事项：

  • 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。如果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。
    通过配置项修改master的复制缓冲区大小：
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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

slave端注意事项：

  • 为避免slave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。
    通过配置项修改：
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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master带宽造成巨大冲击，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。

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。

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。

命令传播阶段的部分复制：

  • 命令传播阶段出现了断网现象
    • 网络闪断闪连

忽略，无需处理

-  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

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：

  • 概念：服务运行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run id

复制缓冲区：

  • 概念：复制缓冲区，又称复制积压缓冲区，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。
  • 组成：
    • 偏移量

每个字节的索引位置。

后续可以根据偏移量知道下一个应发送命令

-  字节值

存储的实际内容。Redis将数据指令拆分成逐个字节进行存储。

例如；set name lisi，

先转换成AOF格式：

然后将换行转换成\r\n，按字节存储。

例如：

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$3   # set三个字母的长度
set
$4  # name四个字母的长度
name
$4  # lisi四个字母的长度
lisi
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偏移量9001位置：$
偏移量9002位置：3
偏移量9003位置：s
偏移量9004位置：e
偏移量9005位置：t
偏移量9006位置：\r
偏移量9007位置：\n
偏移量9008位置：$
偏移量9009位置：4
偏移量9010位置：n
偏移量9011位置：a
.......
  • 工作原理：每个slave记录当前传播的offset偏移量，master也会记录每个slave传播的offset（防止网络原因slave和master不一致），通过offset偏移量区分不同的slave当前数据传播的差异。
  • 复制缓冲区默认存储空间大小是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活被连接成为master节点，即创建复制缓冲区。
  • 作用：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。

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。

数据同步流程（详细版）：

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slave->master: 发送指令： psync2 <runid> <offset> \n 第一次发送时不知道runid和offset，所以\n第一次发送的指令为：psync2 ? -1
note right of master: 执行bgsave生成RDB文件，\n 记录当前的复制偏移量offset \n 期间接收新的客户端命令，offset发生变化
master->slave: 发送 +FULLRESYNC runid offset \n 通过socket发送RDB文件给slave
note left of slave: 收到 +FULLSYNC \n 保存master的runid和offset \n 清空当前全部数据\n 通过socket接收RDB文件，恢复RDB数据
slave->master: 发送指令：psync2 runid offset
note right of master: 接收命令，\n判定runid是否匹配，\n判定offset是否在复制缓冲区中。
note right of master: 如果runid或offset有一个不满足条件,\n则执行全量复制;
note right of master: 如果runid和offset校验通过，\n且slave的offset和master当前offset相同，\n则忽略
note right of master: 如果runid和offset校验通过，\n但slave的offset和master的offset不同，\n则进行部分复制
master->slave: 发送 +CONTINUE <master当前的offset> \n 通过socket发送复制缓冲区中\n从slave的offset到master的offset\n之间的数据
note left of slave: 收到 +CONTINUE \n保存master的offset，\n接收信息后，执行bgrewriteaof，\n恢复数据

心跳机制

进入命令传播阶段时候，master与slave之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，获取罪行的数据变更指令
  • 作用2：判断master是否在线

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
    相关配置：
1
2
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

命令传播阶段工作流程（完整版）：

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slave->master: 发送指令：replconf ack <slave保存的offset> \n(数据同步阶段此处发送的是: pysnc2指令)
note right of master: 接收命令，\n判定offset是否在复制缓冲区中。
note right of master: 如果offset不在缓冲区,\n则执行全量复制;
note right of master: 如果offset在缓冲区，\n且slave的offset和master当前offset相同，\n则忽略
note right of master: 如果offset在缓冲区，\n但slave的offset和master的offset不同，\n则进行部分复制
master->slave: 发送 +CONTINUE <master当前的offset> \n 通过socket发送复制缓冲区中\n从slave的offset到master的offset\n之间的数据
note left of slave: 收到 +CONTINUE \n保存master的offset，\n接收信息后，执行bgrewriteaof，\n恢复数据

主从复制常见问题

频繁的全量复制

全量复制问题1：

伴随着系统的运行，master的数据量会越来越大，一旦master重启，runid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：（不需要调整）

  1. 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
  2. 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（linux命令，不是在redis-cli客户端执行）可以查看该信息
  3. 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

全量复制问题2：

现象：网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务。

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

建议设置如下：

  1. 测算从master到slave的重连平均时长second
  2. 获取master平均每秒产生写命令数据总量 write_size_per_second
  3. 最优复制缓冲区空间 = 2 * second * write_size_per_second

频繁的网络中断

网络中断问题1：

现象：master的cpu占用过高，或者slave频繁断开连接

原因：

  • slave每1秒发送 replconf ack 命令到master
  • 当slave接收到了慢查询（keys *、hgetall等），会大量占用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、带宽、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。

对应的配置：

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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。

网络中断问题2：

现象：slave与master连接断开

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

对应的配置项：

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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

现象：多个slave获取相同数据不同步

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
    对应配置：
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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）

后端开发 > Redis
#Redis
13. 主从复制
http://binbo-zappy.github.io/2024/12/07/Redis/13-主从复制/
作者
Binbo
发布于
2024年12月7日
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