redis专题系列16 -- redis 集群模式之哨兵模式
mhr18 2024-10-26 10:54 22 浏览 0 评论
虽然redis为我们提供了主从模式，但master一旦宕机，那么整个集群则不能够继续写入，需要人工手动指定slave节点为master,这段时间会造成部分请求失败，费时费力，用户体验极差。为了实现master自动切换，redis为我们提供了哨兵模式，以提高redis集群的高可用。
哨兵模式是一种特殊的模式，首先Redis提供了哨兵的命令，哨兵是一个独立的进程，作为进程，它会独立运行。其原理是哨兵通过发送命令，等待Redis服务器响应，从而监控运行的多个Redis实例。
集群架构
它由两部分组成：
- 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。
- 数据节点：主节点和从节点都是数据节点。
集群部署简单示例
系统环境： Win10 X64 , redis版本：3.2.100
1.在安装环境下，copy两份redis配置文件，分别为redis.windows.6380.conf,redis.windows.6381.conf,内容如下：
#redis.conf
port 6379
daemonize yes
logfile ""
dbfilename "dump-6379.rdb"
#redis.windows.6380.conf
port 6380
daemonize yes
logfile ""
dbfilename ""
slaveof 127.0.0.1 6379
#redis.windows.6381.conf
port 6381
daemonize yes
logfile ""
dbfilename "dump-6381.rdb"
slaveof 127.0.0.1 6379
配置完成后，一次启动主节点和2个从节点。
redis path\redis.windows.conf
redis path\redis.windows.6380.conf
redis path\redis.windows.6381.conf
查看主从节点状态：
127.0.0.1:6379> info replication
# Replication
role:master
connected_slaves:2
slave0:ip=127.0.0.1,port=6381,state=online,offset=113,lag=1
slave1:ip=127.0.0.1,port=6380,state=online,offset=113,lag=1
master_repl_offset:113
repl_backlog_active:1
repl_backlog_size:1048576
repl_backlog_first_byte_offset:2
repl_backlog_histlen:112
2.部署哨兵节点
#sentine.conf
port 26379
daemonize yes
logfile ""
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel failover-timeout mymaster 15000
sentinel config-epoch mymaster 1
bind 127.0.0.1
#sentinel.26380.conf
port 26380
daemonize yes
logfile ""
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
sentinel failover-timeout mymaster 15000
sentinel config-epoch mymaster 1
bind 127.0.0.1
本配置文件力求简化，方便大家排查纠错，后续再将哨兵的配置参数详解。
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2 意思是当前哨兵监控的主节点为127.0.0.1:6379, 节点名称为mymaster(可自定义)，最后的2用来判断节点故障：只要2个节点主观认为节点不可用， 才会判定为故障节点并进行故障转移。
在linux上哨兵节点有2中命令来启动：
redis-sentinel sentinel.conf
redis-server sentinel.conf --sentinel
但在windows上我们只能采用第二种启动方式，
启动哨兵节点
redis-server path\sentinel.conf --sentinel
redis-server path\sentinel.26380.conf --sentinel
启动成功后，查看哨兵节点监控信息：
127.0.0.1:26379> info sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=127.0.0.1:6379,slaves=2,sentinels=2
此时可以看到，哨兵节点监控主节点为 127.0.0.1:6379 ，并同时发现了另外两个从节点及总共2个哨兵节点（包含其本身）
细心的朋友会发现哨兵节点的配置文件也追加了新的信息：
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Users\\jli2"
sentinel config-epoch mymaster 0
sentinel leader-epoch mymaster 0
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6380
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6381
sentinel known-sentinel mymaster 127.0.0.1 26379 d0b006d092d8da0567bcda0be9983409de053354
sentinel current-epoch 0
其中，dir只是显式声明了数据和日志所在的目录（在哨兵语境下只有日志）；known-slave和known-sentinel显示哨兵已经发现了从节点和其他哨兵；带有epoch的参数与配置纪元有关（配置纪元是一个从0开始的计数器，每进行一次领导者哨兵选举，都会+1；领导者哨兵选举是故障转移阶段的一个操作，在后文原理部分会介绍)， d0b006d092d8da0567bcda0be9983409de053354 指另外一个哨兵节点的id(如果没有配置，哨兵启动时会自动生成)。
3.故障转移示例
S1.我们尝试kill掉主节点的后台服务，根据端口后找到其pid,拿到pid后，执行kill命令，在win10下，操作如下：
查找6379的pid有两种方法：
1>.启动日志
2>.查找端口号为6379进程的pid, 命令： netstat |findstr 6379
S2.强制kill掉进程号为444的进程：
S3.故障节点转移需要一段时间，过段时间，观察哨兵节点的监控信息：
127.0.0.1:26379> info sentinel
# Sentinel
sentinel_masters:1
sentinel_tilt:0
sentinel_running_scripts:0
sentinel_scripts_queue_length:0
sentinel_simulate_failure_flags:0
master0:name=mymaster,status=ok,address=127.0.0.1:6380,slaves=2,sentinels=2
但是同时可以发现，哨兵节点认为新的主节点仍然有2个从节点，这是因为哨兵在将6380切换成主节点的同时，将6379节点置为其从节点；虽然6379从节点已经挂掉，但是由于哨兵并不会对从节点进行客观下线（其含义将在原理部分介绍），因此认为该从节点一直存在。当6379节点重新启动后，会自动变成6380节点的从节点。下面验证一下。
同时你也可以在任何数据节点看到6379和6380的主从关系：
S4. 数据节点配置文件的更新
# redis.conf 即原来的主节点配置信息，变为6380的从节点
port 6379
daemonize yes
logfile ""
dbfilename "dump-6379.rdb"
bind 127.0.0.1
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Redis-x64-3.2.100"
slaveof 127.0.0.1 6380
#redis.windows.6380.conf 新主节点
port 6380
daemonize yes
logfile ""
dbfilename "dump-6380.rdb"
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Users\\jli2"
#redis.windows.6381.conf 更新为6380的从节点
port 6381
daemonize yes
logfile ""
dbfilename "dump-6381.rdb"
slaveof 127.0.0.1 6380
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Users\\jli2"
#两个哨兵节点
#26379
port 26379
daemonize yes
logfile ""
sentinel myid d0b006d092d8da0567bcda0be9983409de053354
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6380 2
bind 127.0.0.1
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Users\\jli2"
sentinel config-epoch mymaster 1
sentinel leader-epoch mymaster 1
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6379
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6381
sentinel known-sentinel mymaster 127.0.0.1 26380 37e8c55a99ca7ce1c97a1ff19967fd98f2b296d1
sentinel current-epoch
#26379
port 26380
daemonize yes
logfile ""
sentinel myid 37e8c55a99ca7ce1c97a1ff19967fd98f2b296d1
sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6380 2
sentinel failover-timeout mymaster 15000
bind 127.0.0.1
# Generated by CONFIG REWRITE
dir "C:\\Users\\jli2"
sentinel config-epoch mymaster 1
sentinel leader-epoch mymaster 1
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6379
sentinel known-slave mymaster 127.0.0.1 6381
sentinel known-sentinel mymaster 127.0.0.1 26379 d0b006d092d8da0567bcda0be9983409de053354
sentinel current-epoch 1
哨兵集群部署注意事项
哨兵系统中的主从节点，与普通的主从节点并没有什么区别，故障发现和转移是由哨兵来控制和完成的。
哨兵节点本质上是Redis节点。
每个哨兵节点，只需要配置监控主节点，便可以自动发现其他的哨兵节点和从节点。
在哨兵节点启动和故障转移阶段，各个节点的配置文件会被重写（Config Rewrite）。
例子中，一个哨兵只监控了一个主节点；实际上，一个哨兵可以监控多个主节点，通过配置多条sentinel monitor即可实现。
基本原理
在原理讲解之前，先了解几个概念：
定时任务：每个哨兵节点维护了3个定时任务。定时任务的功能分别如下：通过向主从节点发送info命令获取最新的主从结构；通过发布订阅功能获取其他哨兵节点的信息；通过向其他节点发送ping命令进行心跳检测，判断是否下线。
主观下线：在心跳检测的定时任务中，如果其他节点超过一定时间没有回复，哨兵节点就会将其进行主观下线。顾名思义，主观下线的意思是一个哨兵节点“主观地”判断下线；与主观下线相对应的是客观下线。
客观下线：哨兵节点在对主节点进行主观下线后，会通过sentinel is-master-down-by-addr命令询问其他哨兵节点该主节点的状态；如果判断主节点下线的哨兵数量达到一定数值，则对该主节点进行客观下线。
需要特别注意的是，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。
选举领导者哨兵节点：当主节点被判断客观下线以后，各个哨兵节点会进行协商，选举出一个领导者哨兵节点，并由该领导者节点对其进行故障转移操作。
监视该主节点的所有哨兵都有可能被选为领导者，选举使用的算法是Raft算法；Raft算法的基本思路是先到先得：即在一轮选举中，哨兵A向B发送成为领导者的申请，如果B没有同意过其他哨兵，则会同意A成为领导者。选举的具体过程这里不做详细描述，一般来说，哨兵选择的过程很快，谁先完成客观下线，一般就能成为领导者。
故障转移：选举出的领导者哨兵，开始进行故障转移操作，该操作大体可以分为3个步骤：
- 在从节点中选择新的主节点：选择的原则是，首先过滤掉不健康的从节点；然后选择优先级最高的从节点（由slave-priority指定）；如果优先级无法区分，则选择复制偏移量最大的从节点；如果仍无法区分，则选择runid最小的从节点。
- 更新主从状态：通过slaveof no one命令，让选出来的从节点成为主节点；并通过slaveof命令让其他节点成为其从节点。
- 将已经下线的主节点（即6379）设置为新的主节点的从节点，当6379重新上线后，它会成为新的主节点的从节点。
通过上述几个关键概念，可以基本了解哨兵的工作原理。为了更形象的说明，下图展示了领导者哨兵节点的日志，包括从节点启动到完成故障转移。
下面结合哨兵leader节点的log理解一下：
STEP1: 获取到了主从节点的信息，并通过sub订阅到了其他哨兵的信息。
STEP2:通过ping命令，对主节点进行主管下线
STEP3: 通过询问其他哨兵节点关于主节点的信息来进行主管下线
STEP4:新纪元开始，通过raft算法，选举哨兵leader节点
STEP5:完成故障转移
STEP6:6379重启后设置为从节点。
经验之谈
哨兵节点的数量应不止一个。一方面增加哨兵节点的冗余，避免哨兵本身成为高可用的瓶颈；另一方面减少对下线的误判。此外，这些不同的哨兵节点应部署在不同的物理机上。
哨兵节点的数量应该是奇数，便于哨兵快速通过投票做出“决策”：领导者选举的决策、客观下线的决策等。
各个哨兵节点的配置应一致，包括硬件、参数等；此外，所有节点都应该使用ntp或类似服务，保证时间准确、一致。
哨兵的配置提供者和通知客户端功能，需要客户端的支持才能实现，如前文所说的Jedis；如果开发者使用的库未提供相应支持，则可能需要开发者自己实现。
当哨兵系统中的节点在Docker（或其他可能进行端口映射的软件）中部署时，应特别注意端口映射可能会导致哨兵系统无法正常工作，因为哨兵的工作基于与其他节点的通信，而Docker的端口映射可能导致哨兵无法连接到其他节点。例如，哨兵之间互相发现，依赖于它们对外宣称的IP和port，如果某个哨兵A部署在做了端口映射的Docker中，那么其他哨兵使用A宣称的port无法连接到A。
常用配置参数说明
1.sentinel monitor {masterName} {masterIp} {masterPort} {quorum}
sentinel monitor是哨兵最核心的配置，在前文讲述部署哨兵节点时已说明，其中：masterName指定了主节点名称，masterIp和masterPort指定了主节点地址，quorum是判断主节点客观下线的哨兵数量阈值：当判定主节点下线的哨兵数量达到quorum时，对主节点进行客观下线。建议取值为哨兵数量的一半加1。
2.sentinel down-after-milliseconds {masterName} {time}
sentinel down-after-milliseconds与主观下线的判断有关：哨兵使用ping命令对其他节点进行心跳检测，如果其他节点超过down-after-milliseconds配置的时间没有回复，哨兵就会将其进行主观下线。该配置对主节点、从节点和哨兵节点的主观下线判定都有效。
down-after-milliseconds的默认值是30000，即30s；可以根据不同的网络环境和应用要求来调整：值越大，对主观下线的判定会越宽松，好处是误判的可能性小，坏处是故障发现和故障转移的时间变长，客户端等待的时间也会变长。例如，如果应用对可用性要求较高，则可以将值适当调小，当故障发生时尽快完成转移；如果网络环境相对较差，可以适当提高该阈值，避免频繁误判。
3.sentinel parallel - syncs {masterName} {number}
sentinel parallel-syncs与故障转移之后从节点的复制有关：它规定了每次向新的主节点发起复制操作的从节点个数。例如，假设主节点切换完成之后，有3个从节点要向新的主节点发起复制；如果parallel-syncs=1，则从节点会一个一个开始复制；如果parallel-syncs=3，则3个从节点会一起开始复制。
parallel-syncs取值越大，从节点完成复制的时间越快，但是对主节点的网络负载、硬盘负载造成的压力也越大；应根据实际情况设置。例如，如果主节点的负载较低，而从节点对服务可用的要求较高，可以适量增加parallel-syncs取值。parallel-syncs的默认值是1。
4.sentinel failover - timeout {masterName} {time}
sentinel failover-timeout与故障转移超时的判断有关，但是该参数不是用来判断整个故障转移阶段的超时，而是其几个子阶段的超时，例如如果主节点晋升从节点时间超过timeout，或从节点向新的主节点发起复制操作的时间（不包括复制数据的时间）超过timeout，都会导致故障转移超时失败。
failover-timeout的默认值是180000，即180s；如果超时，则下一次该值会变为原来的2倍。
常用命令
1.基础查询：
通过这些命令，可以查询哨兵系统的拓扑结构、节点信息、配置信息等。
- info sentinel：获取监控的所有主节点的基本信息。
- sentinel masters：获取监控的所有主节点的详细信息。
- sentinel master mymaster：获取监控的主节点mymaster的详细信息。
- sentinel slaves mymaster：获取监控的主节点mymaster的从节点的详细信息。
- sentinel sentinels mymaster：获取监控的主节点mymaster的哨兵节点的详细信息。
- sentinel get - master - addr - by- name mymaster：获取监控的主节点mymaster的地址信息，前文已有介绍。
- sentinel is-master-down-by-addr：哨兵节点之间可以通过该命令询问主节点是否下线，从而对是否客观下线做出判断。
2.增加/移除对主节点的监控：
sentinel monitor mymaster2 192.168.92.128 16379 2：与部署哨兵节点时配置文件中的sentinel monitor功能完全一样，不再详述。
sentinel remove mymaster2：取消当前哨兵节点对主节点mymaster2的监控。
3.强制故障转移：
sentinel failover mymaster：该命令可以强制对mymaster执行故障转移，即便当前的主节点运行完好；例如，如果当前主节点所在机器即将报废，便可以提前通过failover命令进行故障转移。
Java代码使用哨兵模式
Jedis客户端对哨兵提供了很好的支持。如上述代码所示，我们只需要向Jedis提供哨兵节点集合和masterName，构造Jedis SentinelPool对象；然后便可以像使用普通Redis连接池一样来使用了：通过pool.getResource()获取连接，执行具体的命令。
在整个过程中，我们的代码不需要显式的指定主节点的地址，就可以连接到主节点；代码中对故障转移没有任何体现，就可以在哨兵完成故障转移后自动的切换主节点。之所以可以做到这一点，是因为在JedisSentinelPool的构造器中，进行了相关的工作，主要包括以下两点：
遍历哨兵节点，获取主节点信息：遍历哨兵节点，通过其中一个哨兵节点+masterName获得主节点的信息；该功能是通过调用哨兵节点的sentinel get-master-addr-by-name命令实现，该命令示例如下
一旦获得主节点信息，停止遍历（因此一般来说遍历到第一个哨兵节点，循环就停止了）。
增加对哨兵的监听：这样当发生故障转移时，客户端便可以收到哨兵的通知，从而完成主节点的切换。具体做法是：利用Redis提供的发布订阅功能，为每一个哨兵节点开启一个单独的线程，订阅哨兵节点的+switch-master频道，当收到消息时，重新初始化连接池。
总结：
通过客户端原理的介绍，可以加深对哨兵功能的理解，如下：
配置提供者：客户端可以通过哨兵节点+masterName获取主节点信息，在这里哨兵起到的作用就是配置提供者。
需要注意的是，哨兵只是配置提供者，而不是代理。二者的区别在于：
- 如果是配置提供者，客户端在通过哨兵获得主节点信息后，会直接建立到主节点的连接，后续的请求（如set/get）会直接发向主节点；
- 如果是代理，客户端的每一次请求都会发向哨兵，哨兵再通过主节点处理请求。
通知：哨兵节点在故障转移完成后，会将新的主节点信息发送给客户端，以便客户端及时切换主节点。
内容有点多，希望大家慢慢系消化！！
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