Redis 高可用架构最佳实践

Redis 是一个开源的使用 ANSI C 语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日记型、Key-Value 数据库,并提供多种语言的 API.

如今,互联网业务的数据正以更快的速度在增长,数据类型越来越丰富,这对数据处理的速度和才能提出了更高要求.Redis 是一种开源的内存非关系型数据库,给开发人员带来的体验是颠覆性的.在自始至终的设计过程中,都充分考虑高性能,这使得 Redis 成为当今速度最快的 NoSQL 数据库.

考虑高性能的同时,高可用也是很紧张的考虑因素.互联网 7x24 无间断服务,在故障期间以最快的速度 Failover,能给企业带来最小的损失.

那么,在实际利用中,都有哪些高可用架构呢?架构之间有何优劣?我们应该怎么取舍?有哪些最佳实践?

0x02 Sentinel 原理

在讲解 Redis 高可用计划之前,我们先来看看 Redis Sentinel 原理是怎么样的.

1. Sentinel 集群通过给定的配置文件发现 master,启动时会监控 master.通过向 master 发送 info 信息得到该服务器下面的所有从服务器.

2. Sentinel 集群通过命令连接向被监视的主从服务器发送 hello 信息 (每秒一次),该信息包含 Sentinel 本身的 IP、端口、id 等内容,以此来向其他 Sentinel 宣告自己的存在.

3. Sentinel 集群通过订阅连接接收其他 Sentinel 发送的 hello 信息,以此来发现监视同一个主服务器的其他 Sentinel；集群之间会互相创立命令连接用于通信,因为已经有主从服务器作为发送和接收 hello 信息的中介,Sentinel 之间不会创立订阅连接.

4. Sentinel 集群使用 ping 命令来检测实例的状态,如果在指定的时间内(down-after-milliseconds)没有回复或则返回差错的回复,那么该实例被判为下线.

5. 当 failover 主备切换被触发后,failover 并不会马上进行,还需要 Sentinel 中的大多数 Sentinel 授权后才可以进行 failover,即进行 failover 的 Sentinel 会去获得指定 quorum 个的 Sentinel 的授权,成功后进入 ODOWN 状态.如在 5 个 Sentinel 中配置了 2 个 quorum,比及 2 个 Sentinel 认为 master 死了就执行 failover.

6. Sentinel 向选为 master 的 slave 发送 SLAVEOF NO ONE 命令,选择 slave 的条件是 Sentinel 首先会依据 slaves 的优先级来进行排序,优先级越小排名越靠前.如果优先级相同,则查看复制的下标,哪个从 master 接收的复制数据多,哪个就靠前.如果优先级和下标都相同,就选择进程 ID 较小的.

7. Sentinel 被授权后,它将会得到宕掉的 master 的一份最新配置版本号 (config-epoch),当 failover 执行结束以后,这个版本号将会被用于最新的配置,通过广播形式通知其它 Sentinel,其它的 Sentinel 则更新对应 master 的配置.

1 到 3 是主动发现机制:

• 以 10 秒一次的频率,向被监视的 master 发送 info 命令,依据回复获取 master 当前信息.

• 以 1 秒一次的频率,向所有 redis 服务器、包括 Sentinel 在内发送 PING 命令,通过回复判断服务器是否在线.

• 以 2 秒一次的频率,通过向所有被监督的 master,slave 服务器发送当前 Sentinel master 信息的消息.

4 是检测机制,5 和 6 是 failover 机制,7 是更新设置装备摆设机制.[1]

0x03 Redis 高可用架构

讲授完 Redis Sentinel 原理之后,接下来讲授常用的 Redis 高可用架构.

• Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自界说脚本

• Redis Sentinel 集群 + VIP + 自界说脚本

• 封装客户端直连 Redis Sentinel 端口

• JedisSentinelPool,得当 Java

• PHP 基于 phpredis 自行封装

• Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy

• Redis M/S + Keepalived

• Redis Cluster

• Twemproxy

• Codis

接下来共同图文逐个讲解.

3.1 Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自界说脚本

上图是已经在线上环境应用的方案.底层是 Redis Sentinel 集群,代理着 Redis 主从,Web 端连接内网 DNS 提供服务.内网 DNS 依照一定的规则分配,比如 xxxx.redis.cache/queue.port.xxx.xxx,第一个段表示业务简写,第二个段表示这是 Redis 内网域名,第三个段表示 Redis 类型,cache 表示缓存,queue 表示队列,第四个段表示 Redis 端口,第五、第六个段表示内网主域名.

当主节点发生故障,好比机器故障、Redis 节点故障或者网络不可达,Sentinel 集群会调用client-reconfig-script 配置的脚本,修改对应端口的内网域名.对应端口的内网域名指向新的 Redis 主节点.

长处：

• 秒级切换,在 10s 内完成整个切换操作

• 脚本自界说,架构可控

• 对应用透明,前端不消担心后端发生什么变化

毛病：

• 维护本钱略高,Redis Sentinel 集群建议投入 3 台机器以上

• 依附 DNS,存在解析延时

• Sentinel 模式存在短时间的服务弗成用

• 服务通过外网拜访不可采用此方案

3.2 Redis Sentinel 集群 + VIP + 自界说脚本

此方案和上一个方案相比,略有不同.第一个方案使用了内网 DNS,第二个方案把内网 DNS 换成了虚拟 IP.底层是 Redis Sentinel 集群,Web 端通过 VIP 提供服务.在部署 Redis 主从的时候,需要将虚拟 IP 绑定到当前的 Redis 主节点.当主节点发生故障,Sentinel 集群会调用 client-reconfig-script 配置的脚本,将 VIP 漂移到新的主节点上.

长处：

• 秒级切换,在 5s 内完成整个切换操作

• 脚本自界说,Redis Sentinel 集群建议投入 3 台机器以上

• 使用 VIP 增加维护本钱,存在 IP 混乱风险

• Sentinel 模式存在短时间的服务弗成用

3.3 封装客户端直连 Redis Sentinel 端口

部分业务只能通过外网拜访 Redis,上述两种方案均不可用,于是衍生出了这种方案.Web 使用客户端连接其中一台 Redis Sentinel 集群中的一台机器的某个端口,然后通过这个端口获取到当前的主节点,然后再连接到真实的 Redis 主节点进行相应的业务员操作.需要注意的是,Redis Sentinel 端口和 Redis 主节点均需要开放拜访权限.如果前端业务使用 Java,有 JedisSentinelPool 可以复用；如果前端业务使用 PHP,可以在 phpredis 的基础上做二次封装.

长处：

• 服务探测故障实时

• DBA 维护本钱低

毛病：

• 依附客户端支持 Sentinel

• Sentinel 服务器和 Redis 节点需要开放拜访权限

• 对利用有侵入性

3.4 Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy

底层是 Redis Sentinel 集群,Web 端通过 VIP 提供服务.当主节点发生故障,Redis 之间的切换通过 Redis Sentinel 内部机制保障,VIP 切换通过 Keepalived 保障.

长处：

• 秒级切换

• 对利用透明

毛病：

• 维护本钱高

• 存在脑裂

• Sentinel 模式存在短时间的服务弗成用

3.5 Redis M/S + Keepalived

此方案没有使用到 Redis Sentinel.此方案使用了原生的主从和 Keepalived,VIP 切换通过 Keepalived 保障,Redis 主从之间的切换必要自定义脚本实现.

长处：

• 秒级切换

• 对利用透明

• 部署简单,维护本钱低

毛病：

• 必要脚本实现切换功能

• 存在脑裂

3.6 Redis Cluster

From: http://intro2libsys.com/focused-redis-topics/day-one/intro-redis-cluster

Redis 3.0.0 在 2015 年 4 月 2 日正式发布,距今已有两年多的时间.Redis 集群采用 P2P 模式,无中心化.把 key 分成 16384 个 slot,每个实例负责一部分 slot.客户端哀求对应的数据,若该实例 slot 没有对应的数据,该实例会转发给对应的实例.另外,Redis 集群通过 Gossip 协议同步节点信息.

长处：

• 组件 all-in-box,部署简单,节约机械资源

• 机能比 proxy 模式好

• 自动故障转移、Slot 迁徙中数据可用

• 官方原生集群计划,更新与支持有保障

毛病：

• 架构比拟新,最佳实践较少

• 多键操作支撑有限(驱动可以曲线救国)

• 为了性能提升,客户端必要缓存路由表信息

• 节点发现、reshard 操作不够主动化

3.7 Twemproxy

From: http://engineering.bloomreach.com/the-evolution-of-fault-tolerant-redis-cluster

多个同构 Twemproxy(配置相同)同时工作,接受客户端的哀求,根据 hash 算法,转发给对应的 Redis.

Twemproxy 方案比较成熟了,之前我们团队长期使用此方案,但是效果并不是很抱负.一方面是定位问题比较困难,另一方面是它对自动剔除节点的支持不是很友好.

长处：

• 开发简单,对利用几乎透明

• 历史悠久,计划成熟

毛病：

• 代理经销影响性能

• LVS 和 Twemproxy 会有节点机能瓶颈

• Redis 扩容异常麻烦

• Twitter 内部已放弃使用该计划,新使用的架构未开源

3.8 Codis

From: https://github.com/CodisLabs/codis

Codis 是由豌豆荚开源的产品,涉及组件众多,其中 ZooKeeper 存放路由表和代理节点元数据、分发 Codis-Config 的命令；Codis-Config 是集成管理工具,有 Web 界面供使用；Codis-Proxy 是一个兼容 Redis 协议的无状态代理；Codis-Redis 基于 Redis 2.8 版本二次开发,加入 slot 支持,便利迁移数据.

长处：

• 开发简单,对利用几乎透明

• 机能比 Twemproxy 好

• 有图形化界面,扩容容易,运维便利

毛病：

• 代理经销依旧影响性能

• 组件过多,必要很多机器资源

• 修改了 Redis 代码,导致和官方无法同步,新特性跟进迟缓

• 开发团队准备主推基于 Redis 改革的 reborndb

0x04 最佳实践

所谓的最佳实践,都是最得当具体场景的实践.

主推以下计划：

• Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自界说脚本

• Redis Sentinel 集群 + VIP + 自界说脚本

以下是实战进程中总结出的最佳实践：

• Redis Sentinel 集群建议使用 >= 5 台机械

• 分歧的大业务可以使用一套 Redis Sentinel 集群,代理该业务下的所有端口

• 根据分歧的业务划分好 Redis 端口范围

• 自定义脚本建议采用 Python 实现,扩展方便

• 自定义脚本必要注意判断当前的 Sentinel 角色

• 自界说脚本传入参数：<service_name> <role> <comment> <from_ip> <from_port> <to_ip> <to_port>

• 自定义脚本必要远程 ssh 操作机器,建议使用 paramiko 库,避免重复建立 SSH 连接,消耗时间

• 加速 SSH 连接,建议封闭以下两个参数

• UseDNS no

• GSSAPIAuthentication no

• 微信或者邮件告警,建议 fork 一个过程,避免主过程阻塞

• 主动切换和故障切换,所有操作建议在 15s 以内完成