Redis進階學習高可用之哨兵（總結分享）
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- 2022-02-22 17:29:041805瀏覽
這篇文章為大家帶來了關於Redis中高可用哨兵的相關知識，其中包括了作用架構、部署以及配置的相關問題，希望對大家有幫助。
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#一、作用與架構
1. 作用
在介紹哨兵之前，先從宏觀角度回顧Redis實現高可用相關的技術。它們包括：持久化、複製、哨兵和集群，其主要作用和解決的問題是：
- 持久化：持久化是最簡單的高可用方法(有時甚至不被歸為高可用的手段)，主要作用是資料備份，即將資料儲存在硬碟，保證資料不會因行程退出而遺失。
- 複製：複製是高可用Redis的基礎，哨兵和叢集都是在複製基礎上實現高可用的。複製主要實現了資料的多機備份，以及對於讀取操作的負載平衡和簡單的故障復原。缺陷：故障恢復無法自動化；寫入操作無法負載平衡；儲存能力受到單機的限制。
- 哨兵：在複製的基礎上，哨兵實現了自動化的故障復原。缺陷：寫入操作無法負載平衡；儲存能力受到單機的限制。
- 叢集：透過集群，Redis解決了寫入操作無法負載平衡，以及儲存能力受到單機限制的問題，實現了較為完善的高可用方案。
下面說回哨兵。
Redis Sentinel，即Redis哨兵，在Redis 2.8版本開始引入。 哨兵的核心功能是主節點的自動故障轉移。 以下是Redis官方文件對於哨兵功能的描述：
- 監控（Monitoring）：哨兵會不斷檢查主節點和從節點是否運作正常。
- 自動故障轉移（Automatic failover）：當主節點無法正常運作時，哨兵會開始自動故障轉移操作，它會將失效主節點的其中一個從節點升級為新的主節點，並讓其他從節點改為複製新的主節點。
- 設定提供者（Configuration provider）：客戶端在初始化時，透過連接哨兵來取得目前Redis服務的主節點位址。
- 通知（Notification）：哨兵可以將故障轉移的結果傳送給客戶端。
其中，監控和自動故障轉移功能，使得哨兵可以及時發現主節點故障並完成轉移；而配置提供者和通知功能，則需要在與客戶端的交互中才能體現。
這裡對「客戶端」一詞在文章中的用法做一個說明：在前面的文章中，只要透過API存取redis伺服器，都會稱為客戶端，包括redis-cli、Java客戶端Jedis等；為了方便區分說明，本文中的客戶端並不包括redis-cli，而是比redis-cli更加複雜：redis-cli使用的是redis提供的底層接口，而客戶端則對這些接口、功能進行了封裝，以便充分利用哨兵的配置提供者和通知功能。
2. 架構
典型的哨兵架構圖如下圖：
它由兩個部分組成，哨兵節點和資料節點：
- 哨兵節點：哨兵系統由一個或多個哨兵節點組成，哨兵節點是特殊的redis節點，不儲存資料。
- 資料節點：主節點和從節點都是資料節點。
二、部署
這部分將部署一個簡單的哨兵系統，包含1個主節點、2個從節點和3個哨兵節點。方便起見：所有這些節點都部署在一台機器上（區域網路IP：192.168.92.128），使用連接埠號碼區分；節點的配置盡可能簡化。
1. 部署主從節點
哨兵系統中的主從節點，與普通的主從節點配置是一樣的，並不需要做任何額外配置。以下分別是主節點（port=6379）和2個從節點（port=6380/6381）的設定文件，配置都比較簡單，不再詳述。
#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
redis-server redis-6379.conf redis-server redis-6380.conf redis-server redis-6381.conf
節點啟動後，連接主節點查看主從狀態是否正常。配置完成後，依序啟動主節點和從節點：
2. 部署哨兵節點
哨兵節點本質上是一個特殊的Redis節點。
3個哨兵節點的配置幾乎是完全一樣的，主要差異在於連接埠號的不同（26379/26380/26381），以下以26379節點為例介紹節點的設定與啟動方式；設定部分盡量簡化，更多配置會在後面介紹。
#sentinel-26379.conf port 26379 daemonize yes logfile "26379.log" sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2
哨兵节点的启动有两种方式，二者作用是完全相同的：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。
redis-sentinel sentinel-26379.conf redis-server sentinel-26379.conf --sentinel
3. 总结
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
哨兵系统的搭建过程，有几点需要注意：
（1）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。
（2）哨兵节点本质上是redis节点。
（3）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。
（4）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)。
三、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。
1. 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）。
public static void testSentinel() throws Exception {
String masterName = "mymaster";
Set 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();
} 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。2. 客户端原理
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：
（1）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）。
（2）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。
3. 总结
通过客户端原理的介绍，可以加深对哨兵功能的理解：
（1）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：
sentinel monitor mymaster 192.168.92.128 6379 2 改为 sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2
（2）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。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。
四、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。
1. 哨兵節點支援的命令
哨兵節點作為運行在特殊模式下的redis節點，其支援的命令與普通的redis節點不同。在維運中，我們可以透過這些指令查詢或修改哨兵系統；不過更重要的是，哨兵系統要實現故障發現、故障轉移等各種功能，離不開哨兵節點之間的通信，而通信的很大一部分是透過哨兵節點支援的命令來實現的。以下介紹哨兵節點支援的主要命令。
（1）基礎查詢：透過這些指令，可以查詢哨兵系統的拓樸結構、節點資訊、設定資訊等。
- info sentinel：獲取監控的所有主節點的基本資訊
- sentinel masters：取得監控的所有主節點的詳細資訊 ##sentinel master mymaster：取得監控的主節點mymaster的詳細資訊
- sentinel slaves mymaster：取得監控的主節點mymaster的從節點的詳細資料
- sentinel sentinels mymaster：取得監控的主節點mymaster的哨兵節點的詳細資訊
- sentinel get-master-addr-by-name mymaster：取得監控的主節點mymaster的地址信息，前文已有介紹
- sentinel is-master-down-by-addr ：哨兵節點之間可以透過此指令詢問主節點是否下線，從而對是否客觀下線做出判斷
強制對mymaster執行故障轉移，即便目前的主節點運作良好；例如，如果目前主節點所在機器即將報廢，便可以提前透過failover指令進行故障轉移。
2. 基本原理關於哨兵的原理，關鍵在於了解以下概念。 （1）定時任務：每個哨兵節點維護了3個定時任務。定時任務的功能分別如下：透過向主從節點發送info指令取得最新的主從結構；透過發布訂閱功能取得其他哨兵節點的資訊；透過向其他節點發送ping指令進行心跳偵測，判斷是否下線。 （2）主觀下線：在心跳偵測的定時任務中，如果其他節點超過一定時間沒有回复，哨兵節點就會將其進行主觀下線。顧名思義，主觀下線的意思是一個哨兵節點「主觀地」判斷下線；與主觀下線相對應的是客觀下線。 （3）客觀下線：哨兵節點在對主節點進行主觀下線後，會透過sentinel is-master-down-by-addr指令詢問其他哨兵節點該主節點的狀態；如果判斷主節點下線的哨兵數量達到一定數值，則對該主節點進行客觀下線。需要特別注意的是，客觀下線是主節點才有的概念；如果從節點和哨兵節點發生故障，被哨兵主觀下線後，不會再有後續的客觀下線和故障轉移操作。
（4）選舉領導者哨兵節點：當主節點被判斷客觀下線以後，各個哨兵節點會進行協商，選出一個領導者哨兵節點，並由該領導者節點對其進行故障轉移操作。 監視該主節點的所有哨兵都有可能被選為領導者，選舉使用的演算法是Raft演算法；Raft演算法的基本想法是先到先得：即在一輪選舉中，哨兵A向B發送成為領導者的申請，如果B沒有同意過其他哨兵，則會同意A成為領導者。選舉的具體過程這裡不做詳細描述，一般來說，哨兵選擇的過程很快，誰先完成客觀下線，一般就能成為領導者。 （5）故障轉移：選出的領導者哨兵，開始進行故障轉移操作，該操作大體可分為3個步驟：- 在從節點中選擇新的主節點：選擇的原則是，先過濾掉不健康的從節點；然後選擇優先順序最高的從節點(由slave-priority指定)；如果優先權無法區分，則選擇複製偏移量最大的從節點；如果仍無法區分，則選擇runid最小的從節點。
- 更新主從狀態：透過slaveof no one指令，讓選出來的從節點成為主節點；並透過slaveof指令讓其他節點成為其從節點。
- 將已經下線的主節點(即6379)設定為新的主節點的從節點，當6379重新上線後，它會成為新的主節點的從節點。
sentinel monitor是哨兵最核心的配置，在前文講述部署哨兵節點時已說明，其中：masterName指定了主節點名稱，masterIp和masterPort指定了主節點位址，quorum是判斷主節點客觀下線的哨兵量閾值：當判定主節點下線的哨兵數達到quorum時，對主節點進行客觀下線。建議取值為哨兵數量的一半加1。
（2） sentinel down-after-milliseconds {masterName} {time}
sentinel down-after-milliseconds與主觀下線的判斷有關：哨兵使用ping指令對其他節點進行心跳檢測，如果其他節點超過down-after-milliseconds配置的時間沒有回复，哨兵就會將其進行主觀下線。此配置對主節點、從節點和哨兵節點的主觀下線判定都有效。
down-after-milliseconds的預設值是30000，即30s；可以根據不同的網路環境和應用要求來調整：值越大，對主觀下線的判定會越寬鬆，好處是誤判的可能性很小，壞處是故障發現和故障轉移的時間變長，客戶端等待的時間也會變長。例如，如果應用程式對可用性要求較高，則可以將值適當調小，當故障發生時盡快完成轉移；如果網路環境相對較差，可以適當提高該閾值，避免頻繁誤判。
（3） sentinel parallel-syncs {masterName} {number}
sentinel parallel-syncs與故障轉移之後從節點的複製有關：它規定了每次向新的主節點發起複製操作的從節點個數。例如，假設主節點切換完成之後，有3個從節點要向新的主節點發起複製；如果parallel-syncs=1，則從節點會一個一個開始複製；如果parallel-syncs=3，則3個從節點會一起開始複製。
parallel-syncs取值越大，從節點完成複製的時間越快，但是對主節點的網路負載、硬碟負載造成的壓力也越大；應根據實際情況設定。例如，如果主節點的負載較低，而從節點對服務可用的要求較高，可以適量增加parallel-syncs值。 parallel-syncs的預設值是1。
（4） sentinel failover-timeout {masterName} {time}
sentinel failover-timeout與故障轉移逾時的判斷有關，但是該參數不是用來判斷整個故障轉移階段的逾時，而是其幾個子階段的超時，例如如果主節點晉升從節點時間超過timeout，或從節點向新的主節點發起複製操作的時間(不包括複製資料的時間)超過timeout，都會導致故障轉移逾時失敗。
failover-timeout的預設值為180000，即180s；如果逾時，則下一次該值會變成原來的2倍。
（5）除上述幾個參數外，還有一些其他參數，如安全驗證相關的參數，這裡不做介紹。
2. 實務建議
（1）哨兵節點的數量應不止一個，一方面增加哨兵節點的冗餘，避免哨兵本身成為高可用的瓶頸；另一方面減少對下線的誤判。此外，這些不同的哨兵節點應部署在不同的實體機上。
（2）哨兵節點的數量應該是奇數，以便於哨兵透過投票做出「決策」：領導者選舉的決策、客觀下線的決策等。
（3）各個哨兵節點的配置應一致，包括硬體、參數等；此外，所有節點都應該使用ntp或類似服務，保證時間準確、一致。
（4）哨兵的配置提供者和通知客戶端功能，需要客戶端的支持才能實現，如前文所說的Jedis；如果開發者使用的庫未提供相應支持，則可能需要開發者自己實現。
（5）當哨兵系統中的節點在docker（或其他可能進行連接埠對映的軟體）中部署時，應特別注意連接埠對映可能會導致哨兵系統無法正常運作，因為哨兵的工作是基於與其他節點的通信，而docker的連接埠對映可能導致哨兵無法連接到其他節點。例如，哨兵之間互相發現，依賴它們對外宣稱的IP和port，如果某個哨兵A部署在做了端口映射的docker中，那麼其他哨兵使用A宣稱的port無法連接到A。
六、總結
本文首先介紹了哨兵的作用：監控、故障轉移、設定提供者和通知；然後講述了哨兵系統的部署方法，以及透過客戶端存取哨兵系統的方法；再然後簡要說明了哨兵實現的基本原理；最後給出了關於哨兵實踐的一些建議。
在主從複製的基礎上，哨兵引入了主節點的自動故障轉移，進一步提高了Redis的高可用性；但是哨兵的缺陷同樣很明顯：哨兵無法對從節點進行自動故障轉移，在讀寫分離場景下，從節點故障會導致讀服務不可用，需要我們對從節點做額外的監控、切換操作。
此外，哨兵仍然沒有解決寫入操作無法負載均衡、及存儲能力受到單機限制的問題；這些問題的解決需要使用集群，我將在後面的文章中介紹，歡迎關注。
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