第六章：复制

2019-08-11  本文已影响0人  super_pcm

在分布式系统中为了解决单点问题，通常会把数据复制多个副本部署到其他机器，满足故障恢复和负载均衡等需求。Redis也是如此，它为我们提供了复制功能，实现了相同数据的多个Redis副本。复制功能是高可用Redis的基础，后面章节的哨兵和集群都是在复制的基础上实现高可用的。复制也是Redis日常运维的常见维护点。因此深刻理解复制的工作原理与使用技巧对我们日常开发运维非常有帮助。

6.1 配置

6.1.1 建立复制
参与复制的Redis实例划分为主节点（master）和从节点（slave）。默认情况下，Redis都是主节点。每个从节点只能有一个主节点，而主节点可以同时具有多个从节点。复制的数据流是单向的，只能由主节点复制到从节点。配置复制的方式有以下三种：

  1. 在配置文件中加入slaveof {masterHost}{masterPort}随Redis启动生效。
  2. 在redis-server启动命令后加入--slaveof {masterHost}{masterPort}生效。
  3. 直接使用命令：slaveof {masterHost}{masterPort}生效。
    综上所述，slaveof命令在使用时，可以运行期动态配置，也可以提前写到配置文件中.例如本地启动两个端口为6379和6380的Redis节点，在127.0.0.1:6380执行如下命令：
127.0.0.1:6380>slaveof 127.0.0.1 6379

slaveof配置都是在从节点发起，这时6379作为主节点，6380作为从节点.

slaveof本身是异步命令，执行slaveof命令时，节点只保存主节点信息后返回，后续复制流程在节点内部异步执行，具体细节见之后6-3复制原理小节。主从节点复制成功建立后，可以使用info replication命令查看复制相关状态.

  1. 主节点6379复制状态信息
127.0.0.1:6379> INFO replication
# Replication
role:master
connected_slaves:1
slave0:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=2116,lag=0
...
  1. 从节点6380复制状态信息
127.0.0.1:6380> info replication
# Replication
role:slave
master_host:127.0.0.1
master_port:6379
master_link_status:up
master_last_io_seconds_ago:8
master_sync_in_progress:0
slave_repl_offset:2172
slave_priority:100
slave_read_only:1
connected_slaves:0
...

6.1.2 断开连接

slaveof命令不但可以建立复制，还可以在从节点执行slaveof no one来断开与主节点复制关系。例如在6380节点上执行slaveof no one来断开复制。

slaveof no one

断开复制主要流程：

  1. 断开与主节点复制关系。
  2. 从节点晋升为主节点。
    从节点断开复制后并不会抛弃原有数据，只是无法再获取主节点上的数据变化。

通过slaveof命令还可以实现切主操作，所谓切主是指把当前从节点对主节点的复制切换到另一个主节点。执行slaveof {newMasterIp} {newMasterPort}命令即可，例如把6380节点从原来的复制6379节点变为复制6381节点，如图6-3所示。

图6-3　从节点通过slave of切换新的主节点

切主操作流程如下：
断开与旧主节点复制关系-->与新主节点建立复制关系-->删除从节点当前所有数据-->对新主节点进行复制操作。

切主后从节点会清空之前所有的数据，线上人工操作时小心 slaveof 在错误的节点上执行或者指向错误的主节点。

6.1.3 安全性

对于数据比较重要的节点，主节点会通过设置requirepass参数进行密码验证，这时所有的客户端访问必须使用auth命令实行校验。从节点与主节点的复制连接是通过一个特殊标识的客户端来完成，因此需要配置从节点的 masterauth 参数与主节点密码保持一致，这样从节点才可以正确地连接到主节点并发起复制流程。

6.1.4 只读

默认情况下，从节点使用slave-read-only=yes配置为只读模式。由于复制只能从主节点到从节点，对于从节点的任何修改主节点都无法感知，修改从节点会造成主从数据不一致。因此建议线上不要修改从节点的只读模式。

6.1.5 传输延迟

主从节点一般部署在不同机器上，复制时的网络延迟就成为需要考虑的问题，Redis为我们提供了repl-disable-tcp-nodelay参数用于控制是否关闭TCP_NODELAY，默认关闭，说明如下：

部署主从节点时需要考虑网络延迟、带宽使用率、防灾级别等因素，如要求低延迟时，建议同机架或同机房部署并关闭repl-disable-tcp-nodelay；如果考虑高容灾性，可以同城跨机房部署并开启repl-disable-tcp-nodelay。

6.2 拓扑

Redis的复制拓扑结构可以支持单层或多层复制关系，根据拓扑复杂性可以分为以下三种：一主一从、一主多从、树状主从结构，下面分别介绍。

6.2.1 一主一从结构

一主一从结构是最简单的复制拓扑结构，用于主节点出现宕机时从节点提供故障转移支持。当应用写命令并发量较高且需要持久化时，可以只在从节点上开启AOF，这样既保证数据安全性同时也避免了持久化对主节点的性能干扰。但需要注意的是，当主节点关闭持久化功能时，如果主节点脱机要避免自动重启操作。因为主节点之前没有开启持久化功能自动重启后数据集为空，这时从节点如果继续复制主节点会导致从节点数据也被清空的情况，丧失了持久化的意义。安全的做法是在从节点上执行 slaveof no one 断开与主节点的复制关系，再重启主节点从而避免这一问题。

6.2.2 一主多从结构

一主多从结构（又称为星形拓扑结构）使得应用端可以利用多个从节点实现读写分离。对于读占比较大的场景，可以把读命令发送到从节点来分担主节点压力。同时在日常开发中如果需要执行一些比较耗时的读命令，如：keys、sort等，可以在其中一台从节点上执行，防止慢查询对主节点造成阻塞从而影响线上服务的稳定性。对于写并发量较高的场景，多个从节点会导致主节点写命令的多次发送从而过度消耗网络带宽，同时也加重了主节点的负载影响服务稳定性。

6.2.3 树状主从结构

树状主从结构（又称为树状拓扑结构）使得从节点不但可以复制主节点数据，同时可以作为其他从节点的主节点继续向下层复制。通过引入复制中间层，可以有效降低主节点负载和需要传送给从节点的数据量。当主节点需要挂载多个从节点时为了
避免对主节点的性能干扰，可以采用树状主从结构降低主节点压力。

6.3 原理

6.3.1 复制过程

在从节点执行slaveof命令后，复制过程便开始运作，下面详细介绍建立复制的完整流程，如图6-7所示。

图6-7　主从节点建立复制流程图

从图中可以看出复制过程大致分为6个过程。

  1. 保存主节点（master）信息，这时候还没有建立起连接。
  2. 从节点（slave）内部通过每秒运行的定时任务维护复制相关逻辑，当定时任务发现存在新的主节点后，会尝试与该节点建立网络连接。
  3. 发送ping命令，连接建立成功后从节点发送ping请求进行首次通信，ping请求主要目的如下：
    . 检测主从之间网络套接字是否可用。
    . 检测主节点当前是否可接受处理命令。
  4. 权限验证。如果主节点设置了requirepass参数，则需要密码验证，从节点必须配置masterauth参数保证与主节点相同的密码才能通过验证；如果验证失败复制将终止，从节点重新发起复制流程。
  5. 同步数据集。主从复制连接正常通信后，对于首次建立复制的场景，主节点会把持有的数据全部发送给从节点，这部分操作是耗时最长的步骤.
  6. 命令持续复制。当主节点把当前的数据同步给从节点后，便完成了复制的建立流程。接下来主节点会持续地把写命令发送给从节点，保证主从数据一致性。

6.3.2 数据同步

Redis在2.8及以上版本使用psync命令完成主从数据同步，同步过程分为：全量复制和部分复制。

部分复制是对老版复制的重大优化，有效避免了不必要的全量复制操作。因此当使用复制功能时，尽量采用2.8以上版本的Redis。
psync命令运行需要以下组件支持：

  1. 复制偏移量
    参与复制的主从节点都会维护自身复制偏移量。主节点（master）在处理完写入命令后，会把命令的字节长度做累加记录，统计信息在info relication中的master_repl_offset指标中。
    从节点在接收到主节点发送的命令后，也会累加记录自身的偏移量。统计信息在info relication中的slave_repl_offset指标中。
    通过对比主从节点的复制偏移量，可以判断主从节点数据是否一致。通常这个偏移量相差不会太大的，但是我还没有看到相等的情况。
  2. 复制积压缓冲区
    复制积压缓冲区是保存在主节点上的一个固定长度的队列，默认大小为1MB，当主节点有连接的从节点（slave）时被创建，这时主节点（master）响应写命令时，不但会把命令发送给从节点，还会写入复制积压缓冲区，如图6-12所示。
图6-12　复制积压缓冲区示意图

由于缓冲区本质上是先进先出的定长队列，所以能实现保存最近已复制数据的功能，用于部分复制和复制命令丢失的数据补救。复制缓冲区相关统计信息保存在主节点的info replication中：

...
repl_backlog_active:1 // 开启复制缓冲区
repl_backlog_size:1048576 // 缓冲区最大长度
repl_backlog_first_byte_offset:7479 // 起始偏移量，计算当前缓冲区可用范围
repl_backlog_histlen:1048576 // 已保存数据的有效长度。
  1. 主节点运行ID
    每个Redis节点启动后都会动态分配一个40位的十六进制字符串作为运行ID。运行ID的主要作用是用来唯一识别Redis节点，比如从节点保存主节点的运行ID识别自己正在复制的是哪个主节点。如果只使用ip+port的方式识别主节点，那么主节点重启变更了整体数据集（如替换RDB/AOF文件），从节点再基于偏移量复制数据将是不安全的，因此当运行ID变化后从节点将做全量复制。可以运行info server命令查看当前节点的运行ID：
    需要注意的是Redis关闭再启动后，运行ID会随之改变。也就是说，这个时候从节点会执行全量复制。
    如何在不改变运行ID的情况下重启呢？
    当需要调优一些内存相关配置，例如：hash-max-ziplist-value等，这些配置需要Redis重新加载才能优化已存在的数据，这时可以使用debug reload命令重新加载RDB并保持运行ID不变，从而有效避免不必要的全量复制。命令如下：
redis-cli debug reload

debug reload命令会阻塞当前Redis节点主线程，阻塞期间会生成本地RDB快照并清空数据之后再加载RDB文件。因此对于大数据量的主节点和无法容忍阻塞的应用场景，谨慎使用。

  1. psync命令
    从节点使用psync命令完成部分复制和全量复制功能，命令格式：psync{runId}{offset}，参数含义如下：

6.3.3 全量复制

全量复制是Redis最早支持的复制方式，也是主从第一次建立复制时必须经历的阶段。触发全量复制的命令是sync和psync，redis2.8之后使用的是psync.
全量复制的完整运行流程如图6-15所示。

图6-15　全量复制流程

流程说明：

  1. 发送psync命令进行数据同步，由于是第一次进行复制，从节点没有复制偏移量和主节点的运行ID，所以发送psync -1。
  2. 主节点根据psync -1解析出当前为全量复制，回复+FULLRESYNC响应。
  3. 从节点接收主节点的响应数据保存运行ID和偏移量offset。
  4. 主节点执行bgsave保存RDB文件到本地，bgsave操作细节和开销见5.1节。
  5. 主节点发送RDB文件给从节点，从节点把接收的RDB文件保存在本地并直接作为从节点的数据文件，接收完RDB后从节点打印相关日志，可以在日志中查看主节点发送的数据量。
    需要注意，对于数据量较大的主节点，比如生成的RDB文件超过6GB以上时要格外小心。传输文件这一步操作非常耗时，速度取决于主从节点之间网络带宽，通过细致分析Full resync和MASTER<->SLAVE这两行日志的时间差，可以算出RDB文件从创建到传输完毕消耗的总时间。如果总时间超过repl-timeout所配置的值（默认60秒），从节点将放弃接受RDB文件并清理已经下载的临时文件，导致全量复制失败。
    针对数据量较大的节点，建议调大repl-timeout参数防止出现全量同步数据超时。例如对于千兆网卡的机器，网卡带宽理论峰值大约每秒传输100MB，在不考虑其他进程消耗带宽的情况下，6GB的RDB文件至少需要60秒传输时间，默认配置下，极易出现主从数据同步超时。
  6. 对于从节点开始接收RDB快照到接收完成期间，主节点仍然响应读写命令，因此主节点会把这期间写命令数据保存在复制客户端缓冲区内，当从节点加载完RDB文件后，主节点再把缓冲区内的数据发送给从节点，保证主从之间数据一致性。如果主节点创建和传输RDB的时间过长，对于高流量写入场景非常容易造成主节点复制客户端缓冲区溢出。默认配置为clientoutput-buffer-limit slave 256MB 64MB 60，如果60秒内缓冲区消耗持续大于64MB或者直接超过256MB时，主节点将直接关闭复制客户端连接，造成全量同步失败。
  7. 从节点接收完主节点传送来的全部数据后会清空自身旧数据
  8. 从节点清空数据后开始加载RDB文件，对于较大的RDB文件，这一步操作依然比较耗时，可以通过计算日志之间的时间差来判断加载RDB的总耗时。
  9. 从节点成功加载完RDB后，如果当前节点开启了AOF持久化功能，它会立刻做bgrewriteaof操作，为了保证全量复制后AOF持久化文件立刻可用。

通过分析全量复制的所有流程，读者会发现全量复制是一个非常耗时费力的操作。它的时间开销主要包括：

6.3.4 部分复制

部分复制主要是Redis针对全量复制的过高开销做出的一种优化措施，使用psync {runId} {offset}命令实现。当从节点（slave）正在复制主节点（master）时，如果出现网络闪断或者命令丢失等异常情况时，从节点会向主节点要求补发丢失的命令数据，如果主节点的复制积压缓冲区内存在这部分数据则直接发送给从节点，这样就可以保持主从节点复制的一致性。补发的这部分数据一般远远小于全量数据，所以开销很小。部分复制的流程如图6-16所示。

图6-16　部分复制过程

流程说明：

  1. 当主从节点之间网络出现中断时，如果超过repl-timeout时间，主节点会认为从节点故障并中断复制连接。
  2. 主从连接中断期间主节点依然响应命令，但因复制连接中断命令无法发送给从节点，不过主节点内部存在的复制积压缓冲区，依然可以保存最近一段时间的写命令数据，默认最大缓存1MB。
  3. 当主从节点网络恢复后，从节点会再次连上主节点
  4. 当主从连接恢复后，由于从节点之前保存了自身已复制的偏移量和主节点的运行ID。因此会把它们当作psync参数发送给主节点，要求进行部分复制操作
  5. 主节点接到psync命令后首先核对参数runId是否与自身一致，如果一致，说明之前复制的是当前主节点；之后根据参数offset在自身复制积压缓冲区查找，如果偏移量之后的数据存在缓冲区中，则对从节点发送+CONTINUE响应，表示可以进行部分复制。
  6. 主节点根据偏移量把复制积压缓冲区里的数据发送给从节点，保证主从复制进入正常状态。

6.3.5　心跳

主从节点在建立复制后，它们之间维护着长连接并彼此发送心跳命令，如图6-17所示。


图6-17　主从心跳检测

主从心跳判断机制：

  1. 主从节点彼此都有心跳检测机制，各自模拟成对方的客户端进行通信，通过client list命令查看复制相关客户端信息，主节点的连接状态为flags=M，从节点连接状态为flags=S。
  2. 主节点默认每隔10秒对从节点发送ping命令，判断从节点的存活性和连接状态。可通过参数repl-ping-slave-period控制发送频率。
  3. 从节点在主线程中每隔1秒发送replconf ack{offset}命令，给主节点上报自身当前的复制偏移量。

为了降低主从延迟，一般把Redis主从节点部署在相同的机房/同城机房，避免网络延迟和网络分区造成的心跳中断等情况。

6.3.6　异步复制

主节点不但负责数据读写，还负责把写命令同步给从节点。写命令的发送过程是异步完成，也就是说主节点自身处理完写命令后直接返回给客户端，并不等待从节点复制完成，如图6-18所示。

图6-18　主节点复制流程

主节点复制流程：

  1. 主节点6379接收处理命令。
  2. 命令处理完之后返回响应结果。
  3. 对于修改命令异步发送给6380从节点，从节点在主线程中执行复制的命令。

6.4　开发与运维中的问题

6.4.1　读写分离

对于读占比较高的场景，可以通过把一部分读流量分摊到从节点（slave）来减轻主节点（master）压力，同时需要注意永远只对主节点执行写操作。
当使用从节点响应读请求时，业务端可能会遇到如下问题：

综上所出，使用Redis做读写分离存在一定的成本。Redis本身的性能非常高，开发人员在使用额外的从节点提升读性能之前，尽量在主节点上做充分优化，比如解决慢查询，持久化阻塞，合理应用数据结构等，当主节点优化空间不大时再考虑扩展。笔者建议大家在做读写分离之前，可以考虑使用Redis Cluster等分布式解决方案，这样不止扩展了读性能还可以扩展写性能和可支撑数据规模，并且一致性和故障转移也可以得到保证，对于客户端的维护逻辑也相对容易。

6.4.2　主从配置不一致

主从配置不一致是一个容易忽视的问题。对于有些配置主从之间是可以不一致，比如：主节点关闭AOF在从节点开启。但对于内存相关的配置必须要一致，比如maxmemory，hash-max-ziplist-entries等参数。当配置的maxmemory从节点小于主节点，如果复制的数据量超过从节点maxmemory时，它会根据maxmemory-policy策略进行内存溢出控制，此时从节点数据已经丢失，但主从复制流程依然正常进行，复制偏移量也正常。修复这类问题也只能手动进行全量复制。当压缩列表相关参数不一致时，虽然主从节点存储的数据一致但实际内存占用情况差异会比较大.

6.4.3　规避全量复制

全量复制是一个非常消耗资源的操作，前面做了具体说明。因此如何规避全量复制是需要重点关注的运维点。下面几种情况会发生全量复制。

6.4.4　规避复制风暴

复制风暴是指大量从节点对同一主节点或者对同一台机器的多个主节点短时间内发起全量复制的过程。复制风暴对发起复制的主节点或者机器造成大量开销，导致CPU、内存、带宽消耗。因此我们应该分析出复制风暴发生的场景，提前采用合理的方式规避。规避方式有如下几个。

  1. 单主节点复制风暴
    解决方案首先可以减少主节点（master）挂载从节点（slave）的数量，或者采用树状复制结构，加入中间层从节点用来保护主节点。
  2. 单机器复制风暴
    由于Redis的单线程架构，通常单台机器会部署多个Redis实例。当一台机（machine）上同时部署多个主节点（master）时如果这台机器出现故障或网络长时间中断，当它重启恢复后，会有大量从节点（slave）针对这台机器的主节点进行全量复制，会造成当前机器网络带宽耗尽。
    如何避免？方法如下：
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