【加精】深入学习Redis高可用架构——哨兵原理及实践

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在上篇文章《深入学习 Redis 高可用的基石:主从复制》中曾提到,Redis 主从复制的作用有数据热备、负载均衡、故障恢复等;但主从复制存在的一个问题是故障恢复无法自动化。

Redis

本文将要介绍的哨兵,它基于 Redis 主从复制,主要作用便是解决主节点故障恢复的自动化问题,进一步提高系统的高可用性。

文章将首先介绍哨兵的作用和架构;然后讲述哨兵系统的部署方法,以及通过客户端访问哨兵系统的方法;然后简要说明哨兵实现的基本原理;最后给出关于哨兵实践的一些建议。(注:文章内容基于 Redis 3.0 版本)

哨兵的作用和架构

哨兵的作用

在介绍哨兵之前,首先从宏观角度回顾一下 Redis 实现高可用相关的技术。

它们包括:持久化、复制、哨兵和集群,其主要作用和解决的问题是:

  • **持久化:**持久化是最简单的高可用方法(有时甚至不被归为高可用的手段),主要作用是数据备份,即将数据存储在硬盘,保证数据不会因进程退出而丢失。
  • **复制:**复制是高可用 Redis 的基础,哨兵和集群都是在复制基础上实现高可用的。 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。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。
  • **哨兵:**在复制的基础上,哨兵实现了自动化的故障恢复。缺陷:写操作无法负载均衡;存储能力受到单机的限制。
  • **集群:**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。
  • 下面说回哨兵,Redis Sentinel,即 Redis 哨兵,在 Redis 2.8 版本开始引入。哨兵的核心功能是主节点的自动故障转移。

    下面是 Redis 官方文档对于哨兵功能的描述:

  • **监控(Monitoring):**哨兵会不断地检查主节点和从节点是否运作正常。
  • **自动故障转移(Automatic failover):**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,并让其他从节点改为复制新的主节点。
  • **配置提供者(Configurationprovider):**客户端在初始化时,通过连接哨兵来获得当前 Redis 服务的主节点地址。
  • **通知(Notification):**哨兵可以将故障转移的结果发送给客户端。
  • 其中,监控和自动故障转移功能,使得哨兵可以及时发现主节点故障并完成转移;而配置提供者和通知功能,则需要在与客户端的交互中才能体现。

    这里对“客户端”一词在本文的用法做一个说明:在前面的文章中,只要通过 API 访问 Redis 服务器,都会称作客户端,包括 redis-cli、Java 客户端 Jedis 等。

    为了便于区分说明,本文中的客户端并不包括 redis-cli,而是比 redis-cli 更加复杂。

    redis-cli 使用的是 Redis 提供的底层接口,而客户端则对这些接口、功能进行了封装,以便充分利用哨兵的配置提供者和通知功能。

    哨兵的架构

    典型的哨兵架构图如下所示:

    Redis

    它由两部分组成,哨兵节点和数据节点:

  • **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。
  • 哨兵系统的部署方法

    这一部分将部署一个简单的哨兵系统,包含 1 个主节点、2 个从节点和 3 个哨兵节点。

    方便起见:所有这些节点都部署在一台机器上(局域网 IP:192.168.92.128),使用端口号区分;节点的配置尽可能简化。

    部署主从节点

    哨兵系统中的主从节点,与普通的主从节点配置是一样的,并不需要做任何额外配置。

    下面分别是主节点(port=6379)和 2 个从节点(port=6380/6381)的配置文件,配置都比较简单,不再详述。

    12345678910111213141516171819
    #redis-6379.confport 6379daemonize yeslogfile "6379.log"dbfilename "dump-6379.rdb" #redis-6380.confport 6380daemonize yeslogfile "6380.log"dbfilename "dump-6380.rdb"slaveof 192.168.92.128 6379 #redis-6381.confport 6381daemonize yeslogfile "6381.log"dbfilename "dump-6381.rdb"slaveof 192.168.92.128 6379

    #redis-6379.conf
    port 6379
    daemonize yes
    logfile “6379.log”
    dbfilename “dump-6379.rdb”

    #redis-6380.conf
    port 6380
    daemonize yes
    logfile “6380.log”
    dbfilename “dump-6380.rdb”
    slaveof 192.168.92.128 6379

    #redis-6381.conf
    port 6381
    daemonize yes
    logfile “6381.log”
    dbfilename “dump-6381.rdb”
    slaveof 192.168.92.128 6379

    配置完成后,依次启动主节点和从节点:

    123
    redis-server redis-6379.confredis-server redis-6380.confredis-server redis-6381.conf

    redis-server redis-6379.conf
    redis-server redis-6380.conf
    redis-server redis-6381.conf

    节点启动后,连接主节点查看主从状态是否正常,如下图所示:

    Redis

    部署哨兵节点

    哨兵节点本质上是特殊的 Redis 节点。3 个哨兵节点的配置几乎是完全一样的,主要区别在于端口号的不同(26379/26380/26381)。

    下面以 26379 节点为例,介绍节点的配置和启动方式,配置部分尽量简化,更多配置会在后面介绍。

    12345
    #sentinel-26379.confport 26379daemonize yeslogfile "26379.log"sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2

    #sentinel-26379.conf
    port 26379
    daemonize yes
    logfile “26379.log”
    sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2

    其中,sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2 配置的含义是:该哨兵节点监控 192.168.92.128:6379 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。

    哨兵节点的启动有两种方式,二者作用是完全相同的:

    12
    redis-sentinel sentinel-26379.confredis-server sentinel-26379.conf --sentinel

    redis-sentinel sentinel-26379.conf
    redis-server sentinel-26379.conf –sentinel

    按照上述方式配置和启动之后,整个哨兵系统就启动完毕了,可以通过 redis-cli 连接哨兵节点进行验证。

    如下图所示:可以看出 26379 哨兵节点已经在监控 mymaster 主节点(即192.168.92.128:6379),并发现了其 2 个从节点和另外 2 个哨兵节点。

    Redis

    此时如果查看哨兵节点的配置文件,会发现一些变化,以 26379 为例:

    Redis

    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)。

    演示故障转移

    哨兵的四个作用中,配置提供者和通知需要客户端的配合,本文将在下一章介绍客户端访问哨兵系统的方法时再详细介绍。

    这一小节将演示当主节点发生故障时,哨兵的监控和自动故障转移功能。

    (1)首先,使用 Kill 命令杀掉主节点:

    Redis

    (2)如果此时立即在哨兵节点中使用 info Sentinel 命令查看,会发现主节点还没有切换过来,因为哨兵发现主节点故障并转移,需要一段时间。

    Redis

    (3)一段时间以后,再次在哨兵节点中执行 info Sentinel 查看,发现主节点已经切换成 6380 节点。

    Redis

    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。

    (4)重启 6379 节点:可以看到 6379 节点成为了 6380 节点的从节点。

    Redis

    (5)在故障转移阶段,哨兵和主从节点的配置文件都会被改写。

    对于主从节点,主要是 slaveof 配置的变化:新的主节点没有了 slaveof 配置,其从节点则 slaveof 新的主节点。

    对于哨兵节点,除了主从节点信息的变化,纪元(epoch)也会变化,下图中可以看到纪元相关的参数都 +1 了。

    Redis

    小结

    哨兵系统的搭建过程,有几点需要注意:

  • 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)。
  • 本章的例子中,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。
  • 客户端访问哨兵系统

    上一小节演示了哨兵的两大作用:监控和自动故障转移。本小节则结合客户端演示哨兵的另外两个作用:配置提供者和通知。

    代码示例

    在介绍客户端的原理之前,先以 Java 客户端 Jedis 为例,演示一下使用方法:下面代码可以连接我们刚刚搭建的哨兵系统,并进行各种读写操作(代码中只演示如何连接哨兵,异常处理、资源关闭等未考虑)。

    123456789101112
    public static void testSentinel() throws Exception {         String masterName = "mymaster";         SetString sentinels = new HashSet();         sentinels.add("192.168.92.128:26379");         sentinels.add("192.168.92.128:26380");         sentinels.add("192.168.92.128:26381");          JedisSentinelPool pool = new JedisSentinelPool(masterName, sentinels); //初始化过程做了很多工作         Jedis jedis = pool.getResource();         jedis.set("key1", "value1");         pool.close();}

    public static void testSentinel() throws Exception {
    String masterName = “mymaster”;
    SetString sentinels = new HashSet();
    sentinels.add(“192.168.92.128:26379”);
    sentinels.add(“192.168.92.128:26380”);
    sentinels.add(“192.168.92.128:26381”);

    
         JedisSentinelPool pool = new JedisSentinelPool(masterName, sentinels); //初始化过程做了很多工作
         Jedis jedis = pool.getResource();
         jedis.set("key1", "value1");
         pool.close();
    

    }

    客户端原理

    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 JedisSentinelPool 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 sentinelget-master-addr-by-name 命令实现,该命令示例如下:

    Redis

    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。

    小结

    通过客户端原理的介绍,我们可以加深对哨兵功能的理解。

    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。
  • 举一个例子可以很好的理解哨兵的作用是配置提供者,而不是代理。在前面部署的哨兵系统中,将哨兵节点的配置文件进行如下修改:

    123
    sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2改为sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2

    sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2
    改为
    sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2

    然后,将前述客户端代码在局域网的另外一台机器上运行,会发现客户端无法连接主节点。

    这是因为哨兵作为配置提供者,客户端通过它查询到主节点的地址为 127.0.0.1:6379,客户端会向 127.0.0.1:6379 建立 Redis 连接,自然无法连接。如果哨兵是代理,这个问题就不会出现了。

    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。

    哨兵实现的基本原理

     

    前面介绍了哨兵部署、使用的基本方法,本部分介绍哨兵实现的基本原理。

    哨兵节点支持的命令

    哨兵节点作为运行在特殊模式下的 Redis 节点,其支持的命令与普通的 Redis 节点不同。

    在运维中,我们可以通过这些命令查询或修改哨兵系统;不过更重要的是,哨兵系统要实现故障发现、故障转移等各种功能,离不开哨兵节点之间的通信。

    而通信的很大一部分是通过哨兵节点支持的命令来实现的。下面介绍哨兵节点支持的主要命令。

    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。
  • 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。

    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。

    基本原理

    关于哨兵的原理,关键是了解以下几个概念。

    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 sentinelis-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。

    Redis

     

    哨兵配置与实践建议

    哨兵配置

    下面介绍与哨兵相关的几个配置。

    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。

    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。

    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。

    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。

    除上述几个参数外,还有一些其他参数,如安全验证相关的参数,这里不做介绍。

    实践建议

    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。

    总结

    本文首先介绍了哨兵的作用:监控、故障转移、配置提供者和通知;然后讲述了哨兵系统的部署方法,以及通过客户端访问哨兵系统的方法;再然后简要说明了哨兵实现的基本原理;最后给出了关于哨兵实践的一些建议。

    在主从复制的基础上,哨兵引入了主节点的自动故障转移,进一步提高了 Redis 的高可用性。

    但是哨兵的缺陷同样很明显: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,需要我们对从节点做额外的监控、切换操作。

    此外,哨兵仍然没有解决写操作无法负载均衡、及存储能力受到单机限制的问题;这些问题的解决需要使用集群,我将在后面的文章中介绍,欢迎关注。

    参考文献:

  • **https://redis.io/topics/sentinel**
  • **http://www.redis.cn/**
  • **《Redis开发与运维》**
  • **《Redis设计与实现》**
  •  

    前文回顾:

    深入学习Redis(1)Redis内存模型:

    深入学习Redis(2):持久化:

    深入学习Redis(3):主从复制

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