深入学习Redis高可用架构：哨兵原理及实践

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：

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。

#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：

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：

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。

#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：

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。

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：

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：

（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。

（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。

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。

（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。

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）。

public static void testSentinel() throws Exception { 


         String masterName = "mymaster"; 


         Set<String> 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：

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：

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。

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》