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如何搭建高可用redis架构?

技术杂谈 勤劳的小蚂蚁 5个月前 (01-11) 92次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码
1 题记
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志型、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能力提出了更高要求。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,高可用也是很重要的考虑因素。互联网 7×24 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,在实际应用中,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?
二、Sentinel (哨兵)原理
在讲解 Redis 高可用方案之前,我们先来看看 Redis Sentinel 原理(https://redis.io/topics/sentinel)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 信息获得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),该信息包括 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;集群之间会互相创建命令连接用于通信,因为已经有主从服务器作为发送和接收 hello 信息的中介,Sentinel 之间不会创建订阅连接。
  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)没有回复或则返回错误的回复,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,等到 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 首先会根据 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,它将会获得宕掉的 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 是自动发现机制:
  • 以 10 秒一次的频率,向被监视的 master 发送 info 命令,根据回复获取 master 当前信息。
  • 以 1 秒一次的频率,向所有 redis 服务器、包含 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,通过向所有被监视的 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 是更新配置机制。[1]
三、Redis 高可用架构
讲解完 Redis Sentinel 原理之后,接下来讲解常用的 Redis 高可用架构
  • Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自定义脚本
  • Redis Sentinel 集群 + VIP + 自定义脚本
  • 封装客户端直连 Redis Sentinel 端口
    • JedisSentinelPool,适合 Java
    • PHP 基于 phpredis 自行封装
  • Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy
  • Redis M/S + Keepalived
  • Redis Cluster
  • Twemproxy
  • Codis
接下来配合图文逐个讲解。
1、Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自定义脚本
Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自定义脚本
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 按照一定的规则分配,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,比如机器故障、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。
优点
秒级切换,在 10s 内完成整个切换操作
脚本自定义,架构可控
对应用透明,前端不用担心后端发生什么变化
缺点:
维护成本略高,Redis Sentinel 集群建议投入 3 台机器以上
依赖 DNS,存在解析延时
Sentinel 模式存在短时间的服务不可用
服务通过外网访问不可采用此方案
2、Redis Sentinel 集群 + VIP + 自定义脚本
Redis Sentinel 集群 + VIP + 自定义脚本
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,代理着 Redis 主从,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,比如机器故障、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,将 VIP 漂移到新的主节点上。
优点:
  • 秒级切换,在 5s 内完成整个切换操作
  • 脚本自定义,架构可控
  • 对应用透明,前端不用担心后端发生什么变化
缺点:
  • 维护成本略高,Redis Sentinel 集群建议投入 3 台机器以上
  • 使用 VIP 增加维护成本,存在 IP 混乱风险
  • Sentinel 模式存在短时间的服务不可用
  • 3.3 封装客户端直连 Redis Sentinel 端口
3、封装客户端直连 Redis Sentinel 端口
部分业务只能通过外网访问 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 主节点均需要开放访问权限。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。
优点:
  • 服务探测故障及时
  • DBA 维护成本低
缺点:
  • 依赖客户端支持 Sentinel
  • Sentinel 服务器和 Redis 节点需要开放访问权限
  • 对应用有侵入性
4、Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy
Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy
底层是 Redis Sentinel 集群,代理着 Redis 主从,Web 端通过 VIP 提供服务。当主节点发生故障,比如机器故障、Redis 节点故障或者网络不可达,Redis 之间的切换通过 Redis Sentinel 内部机制保障,VIP 切换通过 Keepalived 保障。
优点:
  • 秒级切换
  • 对应用透明
缺点:
  • 维护成本高
  • 存在脑裂
  • Sentinel 模式存在短时间的服务不可用
5、Redis M/S + Keepalived
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 主从之间的切换需要自定义脚本实现。
优点:
  • 秒级切换
  • 对应用透明
  • 部署简单,维护成本低
缺点:
  • 需要脚本实现切换功能
  • 存在脑裂
6、Redis Cluster
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。客户端请求对应的数据,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。
优点:
  • 组件 all-in-box,部署简单,节约机器资源
  • 性能比 proxy 模式好
  • 自动故障转移、Slot 迁移中数据可用
  • 官方原生集群方案,更新与支持有保障
缺点:
  • 架构比较新,最佳实践较少
  • 多键操作支持有限(驱动可以曲线救国)
  • 为了性能提升,客户端需要缓存路由表信息
  • 节点发现、reshard 操作不够自动化
7、Twemproxy
Twemproxy
多个同构 Twemproxy(配置相同)同时工作,接受客户端的请求,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,但是效果并不是很理想。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。
优点:
  • 开发简单,对应用几乎透明
  • 历史悠久,方案成熟
缺点:
  • 代理影响性能
  • LVS 和 Twemproxy 会有节点性能瓶颈
  • Redis 扩容非常麻烦
  • Twitter 内部已放弃使用该方案,新使用的架构未开源
8、Codis
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,方便迁移数据。
优点:
  • 开发简单,对应用几乎透明
  • 性能比 Twemproxy 好
  • 有图形化界面,扩容容易,运维方便
缺点:
  • 代理依旧影响性能
  • 组件过多,需要很多机器资源
  • 修改了 Redis 代码,导致和官方无法同步,新特性跟进缓慢
  • 开发团队准备主推基于 Redis 改造的 reborndb
四、最佳实践
所谓的最佳实践,都是最适合具体场景的实践。
主推以下方案:
  • Redis Sentinel 集群 + 内网 DNS + 自定义脚本
  • Redis Sentinel 集群 + VIP + 自定义脚本
以下是实战过程中总结出的最佳实践:
  • Redis Sentinel 集群建议使用 >= 5 台机器
  • 不同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
  • 根据不同的业务划分好 Redis 端口范围
  • 自定义脚本建议采用 Python 实现,扩展便利
  • 自定义脚本需要注意判断当前的 Sentinel 角色
  • 自定义脚本传入参数:<service_name> <role> <comment> <from_ip> <from_port> <to_ip> <to_port>
  • 自定义脚本需要远程 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,建议关闭以下两个参数
  • UseDNS no
  • GSSAPIAuthentication no
  • 微信或者邮件告警,建议 fork 一个进程,避免主进程阻塞
  • 自动切换和故障切换,所有操作建议在 15s 以内完成

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