Redis Sentinel原理与实现 (上)

Sentinel（哨兵）是Redis 2.8版本发布的一个功能，使用Sentinel可以实现高可用的Redis集群服务。Sentinel的作用是实时监控Redis集群中的所有服务器，当Redis主服务器宕机后，会自动把从服务器切换成主服务器，从而实现自动容灾的效果。

Sentinel架构的网络拓扑图如上图，Sentinel服务器负责监控集群中所有的Redis服务器（包括所有的主服务器和从服务器），Sentinel服务器会定时发送心跳包给所有的Redis服务器。当发现有主服务器宕机，就会触发自动容灾过程。

总的来说，Sentinel主要功能有以下几个点：

l 不断监控Redis集群的运行情况。

l 当一个主服务器出现问题，能够进行一次自动故障转移操作。Sentinel会从失效主服务器的其中一台从服务器升级为新的主服务器，并让失效主服务器的其他从服务器改为复制新的主服务器。当失效的主服务器重新启动时，会变为从服务器复制新的主服务器。

l 当Sentinel完成一次故障转移后会执行一个用户自定义脚本，可以通过这个脚本实现自动更新客户端配置功能（如PHP配置文件）。

大概了解了Sentinel的功能，接下来我们先来介绍Sentinel的配置与使用。

Sentinel的配置

一般来说，Sentinel也需要配置多台，这样当某台Sentinel宕机也可以继续工作，避免了单点问题。

启动Sentinel有两种方法：

1) redis-sentinel /path/to/sentinel.conf

2) redis-server /path/to/sentinel.conf --sentinel

启动Sentinel时必须提供一个sentinel.conf配置文件，在配置文件中可以指定Sentinel监听的端口和要监控的Redis服务器。下面我们介绍一下Sentinel有哪些配置项。

1. 通用配置

# 用于指定Sentinel监听的端口 port 26379 # 用于指定Sentinel绑定的IP bind 127.0.0.1 # 使用以守护进程模式运行 daemonize yes # 指定日志文件保存路径 logfile "/path/to/sentinel.log"

2. Sentinel特有配置

# 设置监控的Redis服务器IP与端口, 客观下线所需的Sentinel确认数 sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2 # 设置主观下线的超时时间，主观下线下面会介绍 sentinel down-after-milliseconds mymaster 60000 # 设置故障转移的超时时间 sentinel failover-timeout mymaster 180000 # 发生failover主备切换时，指定最多可以有多少个slave同时对新的master进行同步 sentinel parallel-syncs mymaster 1

运行Sentinel

接下来我们将会介绍怎么使用Sentinel来搭建一个高可用的Redis集群。

首先我们启动3个Redis服务器，其中一个作为主服务器，另外两个作为从服务器。由于本人机器有限，所以下面将在同一台机器上使用不同的端口运行这些Redis服务器。

主服务器的配置（redis-master.conf）：

bind 127.0.0.1 port 6379 daemonize yes

从服务器一的配置（redis-slave1.conf）：

bind 127.0.0.1 port 6380 daemonize yes slaveof 127.0.0.1 6379

从服务器二的配置（redis-slave2.conf）：

bind 127.0.0.1 port 6381 daemonize yes slaveof 127.0.0.1 6379

启动后我们可以通过ps命令查看到运行情况：

接下来我们启动Sentinel服务器。在本例中我们启动3台Sentinel服务器，这是为了保证当某台Sentinel服务器宕机也不会导致服务停止。

在本例中，我们在同一台机器上部署所有的Sentinel服务器，所以需要设置不同的端口，其他配置都一样。所以下面只展示其中一台Sentinel服务器的配置：

port 26379 daemonize yes logfile "./sentinel.log" sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 2

启动后可以通过ps命令查看到Sentinel的运行情况：

现在我们随便打开一台Sentinel服务器的配置文件，会发现配置文件被修改了。这是因为Sentinel会在运行过程中，根据不同的运行状态修改配置文件。我们在配置文件中看到增加了以下的两个配置项：

sentinel known-slave master 127.0.0.1 6380 sentinel known-slave master 127.0.0.1 6381

这是Sentinel的自动发现机制，通过这个机制，Sentinel可以知道所监控的主服务器下的所有从服务器。因为故障转移需要知道从服务器的信息，所以这里是为了故障转移作准备。

现在把Redis的主服务器关闭，我们通过查看Sentinel的配置文件可以发现，主服务器已经被修改为端口为6380的服务器了：

sentinel monitor master 127.0.0.1 6380 2

这说明Sentinel已经成功进行了故障转移。另外Sentinel提供了故障转移完成后调用用户指定的脚本，通过这个机制我们可以实现自动修改客户端主从配置的功能。

Raft协议简介

由于Sentinel在故障转移的时候使用了Raft协议，所以我们先来简单的了解一下Raft协议。

Raft协议是用来解决分布式系统一致性问题的协议，其设计初衷就是容易实现，保证对于普遍的人群都可以十分舒适容易的去理解。另外，它必须能够让人形成直观的认识，这样系统的构建者才能够在现实中进行必然的扩展。

当Sentinel集群发现master客观下线了，就会开始故障转移操作，故障转移操作的第一步就是在Sentinel集群选举一个Leader，让Leader完成故障转移操作，而选举过程就是使用Raft协议来实现的。

Raft的角色

Raft协议描述的节点共有三种角色：Leader, Follower, Candidate。在系统稳定运行的时候只有Leader和Follower两种状态的节点。一个Leader节点，其他的节点都是Follower。Candidate是系统运行不稳定时期的中间状态，当一个Follower对Leader的的心跳出现异常，就会转变成Candidate，Candidate会去竞选新的Leader，它会向其他节点发送竞选投票，如果大多数节点都投票给它，它就会替代原来的Leader成为新的Leader，原来的Leader会降级成Follower。

下图是节点状态变化过程（图片来自网络）：

Term（任期）

Raft协议提出一个名为Term的逻辑时间，将整个系统执行时间划分为若干个不同时间间隔长度的Term构成的序列，以递增的数字来作为Term的编号。如下图（图片来自网络）：

每个Term由election（选举）开始，在这个时间内处于Candidate状态的服务器会竞争产生新的Leader，这时会出现两种情况：

1. 如果某个服务器赢得了选举，那在接下来的Term内将成为新的Leader。

2. 如果没有选举出Leader，则Candidate服务器会递增Term，开始新一轮选举。

Raft的选举过程

如果系统中存在Leader，Leader会周期性的发送心跳来告诉其他服务器它是Leader，如果Follower经过一段时间没有收到任何心跳信息，则可以认为Leader不存在，需要进行Leader选举。

在选举之前，Follower改变状态为Candidate状态并增加其Term编号，然后向集群内的其他服务器发出RequestVote RPC，这个状态持续到发生下面三个中的任意事件：

1.赢得选举：Candidate接受了超过一半服务器的投票，成为新的Leader，然后向其他服务器发送心跳告诉其他服务器。

2.另外有服务器获得选举：Candidate在等待的过程中接收到自称为Leader的服务器发送来的RPC消息，如果这个RPC的Term编号大于等于Candidate自身的Term编号，则Candidate承认Leader，自身状态变成Follower；否则拒绝承认Leader，状态依然为Candidate。

3.一段时间过去了，没有新的Leader产生：出现这种情况则递增Term，重新发起选举；之所以会出现这种情况，是因为有可能同时又多个Follower转为Candidate状态，导致选票分流，都没有获得足够的票数。

下图说明了选举的详细过程（图片来自网络）。在下图中，绿色的代表Candidate状态、红色的代表Leader状态而蓝色代表Follower状态：

由于Sentinel只使用Raft协议来选举Leader来进行故障转移，并没有使用Raft协议进行来进行数据同步，所以对Raft协议的介绍就到此为止。如果对Raft协议感兴趣的话，可以参考此网站：http://thesecretlivesofdata.com/raft/