Redis——Redis主从复制（工作流程详解）

向右看齐 2023-01-13 10:56 186阅读 0赞

### Redis主从复制 ###

*  主从复制简介
 *   *  主从复制的概念
 *  主从复制的作用
 *  主从复制工作流程
 *   *  阶段一：建立连接阶段
     *  主从连接（slave连接master）
     *   *  第一种方式
         *  第二种方式
         *  第三种方式
         *   *  授权访问
     *  阶段二：数据同步阶段工作流程
     *   *  数据同步阶段master说明
         *  数据同步阶段slave说明
     *  阶段三：命令传播阶段
     *   *  命令传播阶段的部分复制
         *   *  服务器的运行 id
             *  复制缓冲区
             *  复制缓冲区内部工作原理
             *  复制缓冲区
             *  主从服务器复制偏移量（offset）
     *  数据同步+命令传播阶段工作流程
     *  心跳机制
     *   *  心跳阶段注意事项
 *  主从复制常见问题
 *   *  引发频繁的全量复制1
     *  引发频繁的全量复制2
     *  频繁的网络中断1
     *  频繁的网络中断2
     *  数据不一致

# 主从复制简介 #

主从复制是为了达成高可用

*  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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

*  提供数据方：master
    
     *  主服务器，主节点，主库  
        主客户端
 *  接收数据方：slave
    
     *  从服务器，从节点，从库  
        从客户端
 *  需要解决的问题
    
     *  数据同步
 *  核心工作
    
     *  master的数据复制到slave中

**主从复制**

*  主从复制即将master中的数据即时、有效的复制到slave中
 *  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）

## 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/leader)，后者称为从节点(slave/follower) ; 数据的复制是单向的，只能由主节点到从节点。Master以写为主，Slave以读为主。

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 #

1.  读写分离：主节点写，从节点读，提高服务器的读写负载能力
2.  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。
3.  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。
4.  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。
5.  高可用（集群）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。

# 主从复制工作流程 #

**总述**

*  主从复制过程大体可以分为3个阶段
    
     *  建立连接阶段（即准备阶段）
     *  数据同步阶段
     *  命令传播阶段

![在这里插入图片描述][20210418210641562.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 阶段一：建立连接阶段 ##

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

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命令（定时器任务）
4.  身份验证
5.  发送slave端口信息

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
slave：保存master的地址和端口  
master：保存slave的端口  
总体：之间创建了socket连接

## 主从连接（slave连接master） ##

*  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> <masterport>
 *  方式三：服务器配置
    
        vim redis.conf
        slaveof <masterip> <masterport>

### 第一种方式 ###

打开redis服务端
    redis-server redis_config/redis-6379.conf	# 主机
    redis-server redis_config/redis-6380.conf	# 从机
    
    进入从机
    [root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
    127.0.0.1:6380> slaveof 127.0.0.1 6379
    
    查看主机日志信息
    Synchronization with replica 127.0.0.1:6380 succeeded	
    
    查看从机日志信息
    MASTER <-> REPLICA sync: receiving 361 bytes from master to disk
    2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Flushing old data
    2125:S 18 Apr 2021 09:27:01.525 * MASTER <-> REPLICA sync: Loading DB in memory
    
    说明主从已经配置完毕
    测试
    在主节点创建一个key
    127.0.0.1:6379> set master maomao
    OK
    
    在从节点查看
    127.0.0.1:6380> get master
    "maomao"
    
    还可以通过 info replication 命令查看
    127.0.0.1:6379> info replication
    # Replication
    role:master
    connected_slaves:1
    
    127.0.0.1:6380> info replication
    # Replication
    role:slave
    master_host:127.0.0.1
    master_port:6379

### 第二种方式 ###

在命令行直接连接
    [root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf --slaveof 127.0.0.1 6379
    
    127.0.0.1:6380> info replication
    # Replication
    role:slave
    master_host:127.0.0.1
    master_port:6379

### 第三种方式 ###

[root@maomao redis_config]# vim redis-6380.conf 
    添加
    slaveof 127.0.0.1 6379
    
    启动redis
    [root@maomao bin]# redis-server redis_config/redis-6380.conf
    
    [root@maomao bin]# redis-cli -p 6380
    127.0.0.1:6380> get slave
    "xiaotian"
    
    127.0.0.1:6380> info replication
    # Replication
    role:slave
    master_host:127.0.0.1
    master_port:6379
    master_link_status:up

*  主从断开连接
    
    > 客户端发送命令  
    > slaveof no one
 *  slave断开连接后，不会删除已有数据，只是不再接受master发送的数据

在从机上
    127.0.0.1:6380> slaveof no one
    OK
    
    127.0.0.1:6379> set slave maomao
    OK
    
    127.0.0.1:6380> get slave
    "xiaotian"

#### 授权访问 ####

*  master客户端发送命令设置密码
    
        requirepass <password>
 *  master配置文件设置密码
    
        config set requirepass <password>
        config get requirepass
 *  slave客户端发送命令设置密码
    
        auth <password>
 *  slave配置文件设置密码
    
        masterauth <password>
 *  slave启动服务器设置密码
    
        redis-server –a <password>

## 阶段二：数据同步阶段工作流程 ##

*  在slave初次连接master后，复制master中的所有数据到slave
 *  将slave的数据库状态更新成master当前的数据库状态

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
部分复制就是增量复制  
增量复制需要在全量复制成功之后才能执行

1.  请求同步数据
2.  创建RDB同步数据
3.  恢复RDB同步数据
4.  请求部分同步数据
5.  恢复部分同步数据  
    至此，数据同步工作完成！

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

### 数据同步阶段master说明 ###

1.  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
2.  复制缓冲区大小设定不合理，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。

修改复制缓冲区大小
    repl-backlog-size 1mb		# 默认1mb

1.  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

### 数据同步阶段slave说明 ###

1.  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
2.  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
3.  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需求，适量错峰
4.  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

## 阶段三：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
 *  主从复制过程大体可以分为3个阶段
    
     *  建立连接阶段（即准备阶段）
     *  数据同步阶段
     *  命令传播阶段

### 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
     *  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）
     *  主服务器的复制积压缓冲区
     *  主从服务器的复制偏移量

#### 服务器的运行 id ####

*  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
    
     *  例如：0eab876073ab904a4b357000dc8f231f553c20a7
 *  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

#### 复制缓冲区 ####

*  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，并存储在复制缓冲区

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

#### 复制缓冲区内部工作原理 ####

*  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
     *  master记录已发送的信息对应的offset
     *  slave记录已接收的信息对应的offset

set name maomao
    以这种格式
    $3 \r\n
    set \r\n
    $4 \r\n
    name \r\n
    $6 \r\n
    maomao \r\n
    
    到复制缓冲区

![在这里插入图片描述][20210418222102463.png]

#### 复制缓冲区 ####

*  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，并存储在复制缓冲区
    
     *  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或被连接成为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+命令传播阶段工作流程 ##

主从连接之后

1.  master生成复制缓冲区
2.  slave发送指令：psync2 ? -1 (意思需要全部信息)
3.  master接收到指令，执行bgsave生成RDB文件，记录当前的复制偏移量`offset` 但是因为第一次slave发送的是空白。
4.  于是master将runid 和offset发给slave。发送 +FULLRESYNC `runid` `offset`，(全量复制)，通过socket发送RDB文件给slave
5.  slave收到 +FULLRESYNC(全量复制)，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
6.  在整个过程中有一些指令要进入复制缓冲区，master接收这些客户端指令，offset发生了变化
7.  slave 发送命令：psync2 runid offset
8.  master 接收命令，判断runid是否匹配，判定offset是否在复制缓冲区中
9.  如果runid或offset有一个不满足，执行全量复制（循环之前的全量复制）
10. 如果runid或offset校验通过，offset与`offset`相同，则忽略
11. 如果如果runid或offset校验通过，offset与`offset`不相同。  
    就发送 +CONTINUE `offset`。  
    通过socket发送复制缓冲区中offset到`offset`的数据
12. slave 收到 +CONTINE  
    保存master的offset  
    接收到信息后，执行bgrewriteaof，恢复数据  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

## 心跳机制 ##

*  进入命令传播阶段候，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

127.0.0.1:6379> info replication
    # Replication
    role:master
    connected_slaves:1
    slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=927,lag=1

### 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个，或者所有slave的延迟都大于等于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

# 主从复制常见问题 #

## 引发频繁的全量复制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：
    
    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

[root@maomao redis_config]# cd /usr/local/redis/data/
    [root@maomao data]# ls
    6379.log  6380.log  appendonly-6379.aof  dump-6379.rdb  dump.rdb
    [root@maomao data]# redis-check-rdb dump-6379.rdb 
    [offset 0] Checking RDB file dump-6379.rdb
    [offset 26] AUX FIELD redis-ver = '6.2.1'
    [offset 40] AUX FIELD redis-bits = '64'
    [offset 52] AUX FIELD ctime = '1618763025'
    [offset 67] AUX FIELD used-mem = '1942304'
    [offset 85] AUX FIELD repl-stream-db = '0'
    [offset 135] AUX FIELD repl-id = '2d82ff022e405afb883753f4d0c52f8ceb36d740'		# runid
    [offset 151] AUX FIELD repl-offset = '885'	#offset
    [offset 167] AUX FIELD aof-preamble = '0'
    [offset 169] Selecting DB ID 0
    [offset 391] Checksum OK
    [offset 391] \o/ RDB looks OK! \o/
    [info] 5 keys read
    [info] 0 expires
    [info] 0 already expired

## 引发频繁的全量复制2 ##

*  问题现象
    
     *  网络环境不佳，出现网络中断，slave不提供服务
 *  问题原因
    
     *  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
        
        > repl-backlog-size
 *  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1 ##

*  问题现象
    
     *  master的CPU占用过高 或 slave频繁断开连接
 *  问题原因
    
     *  slave每1秒发送REPLCONF ACK命令到master
     *  当slave接到了慢查询时（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
        
        > 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

## 频繁的网络中断2 ##

*  问题现象
    
     *  slave与master连接断开
 *  问题原因
    
     *  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
        
        > 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 ##

*  问题现象
    
     *  多个slave获取相同数据不同步
 *  问题原因
    
     *  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
    
    > 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）

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/22f98bab75394345aa958b3202ae9d92.png
[20210418210641562.png]: /images/20221022/be4899436a834cbb858f1bb1013f66e4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NhbnRldmVubA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/9bdacac14da94f1f992ac62d93bfbf03.png
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