Redis中sentinel故障转移的示例分析

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当两台以上的Redis实例形成了主备关系，它们组成的集群就具备了一定的高可用性：当master发生故障的时候，slave可以成为新的master对外提供读写服务，这种运营机制成为failover。

那么谁来发现master的故障做failover决策？

一种方式是，保持一个daemo进程，监控着所有的master-slave节点，如下图所示：

一个Redis集群里面有一个master和两个slave，这个daemon进程监控着这三个节点。但daemon为单节点，本身可用性无法保证。需要引入多daemon，如下图所示：

多个daemon解决了可用性问题，但又出现了一致性问题，如何就某个master是否可用达成一致？例如上图两个daemon1和和master网络不通，daemon和master连接畅通，那此时mater节点是否需要failover那？

Redis的sentinel提供了一套多daemon间的交互机制，多个daemon间组成一个集群，成为sentinel集群，daemon节点也称为sentinel节点。如下图所示：

这些节点相互间通信、选举、协商，在master节点的故障发现、failover决策上表现出一致性。

sentinel集群监视任意多个master以及master下的slave，自动将下线的master从其下的某个slave升级为新的master代替继续处理命令请求。

启动并初始化Sentinel

启动一个Sentinel可以使用命令：

./redis-sentinel ../sentinel.conf

或者命令：

./redis-server ../sentinel.conf --sentinel

当一个Sentinel启动时，它需要执行以下步骤：

初始化服务器

Sentinel本质上是运行在特殊模式下的Redis服务器，它和普通的Redis服务器执行的工作不同，初始化过程也不完全相同。如普通的Redis服务器初始化会载入RDB或者AOF文件来恢复数据，而Sentinel启动时不会载入，因为Sentinel并不使用数据库。

将普通Redis服务器使用的代码替换成Sentinel专用代码

将一部分普通Redis服务器使用的代码替换成Sentinel专用代码。如普通Redis服务器使用server.c/redisCommandTable作为服务器的命令表：

truct redisCommand redisCommandTable[] = {
    {"module",moduleCommand,-2,"as",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"get",getCommand,2,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"set",setCommand,-3,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setnx",setnxCommand,3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setex",setexCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"psetex",psetexCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"append",appendCommand,3,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    .....
    {"del",delCommand,-2,"w",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"unlink",unlinkCommand,-2,"wF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"exists",existsCommand,-2,"rF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"setbit",setbitCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"getbit",getbitCommand,3,"rF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"bitfield",bitfieldCommand,-2,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"setrange",setrangeCommand,4,"wm",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"getrange",getrangeCommand,4,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"substr",getrangeCommand,4,"r",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"incr",incrCommand,2,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"decr",decrCommand,2,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"mget",mgetCommand,-2,"rF",0,NULL,1,-1,1,0,0},
    {"rpush",rpushCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0},
    {"lpush",lpushCommand,-3,"wmF",0,NULL,1,1,1,0,0}
    ......
    }

Sentinel使用sentinel.c/sentinelcmds作为服务器列表，如下所示：

struct redisCommand sentinelcmds[] = {
    {"ping",pingCommand,1,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"sentinel",sentinelCommand,-2,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"subscribe",subscribeCommand,-2,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"unsubscribe",unsubscribeCommand,-1,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"psubscribe",psubscribeCommand,-2,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"punsubscribe",punsubscribeCommand,-1,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"publish",sentinelPublishCommand,3,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"info",sentinelInfoCommand,-1,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"role",sentinelRoleCommand,1,"l",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"client",clientCommand,-2,"rs",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"shutdown",shutdownCommand,-1,"",0,NULL,0,0,0,0,0},
    {"auth",authCommand,2,"sltF",0,NULL,0,0,0,0,0}
}

初始化Sentinel状态

服务器会初始化一个sentinel.c/sentinelState结构（保存服务器中所有和Sentinel功能有关的状态）。

struct sentinelState {
 
    char myid[CONFIG_RUN_ID_SIZE+1]; /* This sentinel ID. */
    
    //当前纪元，用于实现故障转移
    uint64_t current_epoch;         /* Current epoch. */
    
    //监视的主服务器
    //字典的键是主服务器的名字
    //字典的值则是一个指向sentinelRedisInstances结构的指针
    dict *masters;      /* Dictionary of master sentinelRedisInstances.
                           Key is the instance name, value is the
                           sentinelRedisInstance structure pointer. */
    //是否进入tilt模式
    int tilt;           /* Are we in TILT mode? */
    
    //目前正在执行的脚本数量
    int running_scripts;    /* Number of scripts in execution right now. */
    
    //进入tilt模式的时间
    mstime_t tilt_start_time;       /* When TITL started. */
    
    //最后一次执行时间处理器的时间
    mstime_t previous_time;         /* Last time we ran the time handler. */
    
    // 一个FIFO队列，包含了所有需要执行的用户脚本
    list *scripts_queue;            /* Queue of user scripts to execute. */
    
    char *announce_ip;  /* IP addr that is gossiped to other sentinels if
                           not NULL. */
    int announce_port;  /* Port that is gossiped to other sentinels if
                           non zero. */
    unsigned long simfailure_flags; /* Failures simulation. */
    int deny_scripts_reconfig; /* Allow SENTINEL SET ... to change script
                                  paths at runtime? */
}

根据给定的配置文件，初始化Sentinel的监视主服务器列表

对Sentinel状态的初始化将引发对masters字典的初始化，而master字典的初始化是根据被载入的Sentinel配置文件来进行的。

字典的key是监视主服务器的名字，字典的值则是被监控主服务器对应的sentinel.c/sentinelRedisInstance结构。

sentinelRedisInstance结构部分属性如下：

typedef struct sentinelRedisInstance {
    //标识值，记录了实例的类型，以及该实例的当前状态
    int flags;      /* See SRI_... defines */
    
    //实例的名字
    //主服务器的名字由用户在配置文件中设置
    //从服务器以及Sentinel的名字由Sentinel自动设置
    //格式为ip:port,例如“127.0.0.1:26379”
    char *name;     /* Master name from the point of view of this sentinel. */
    
    //实例运行的ID
    char *runid;    /* Run ID of this instance, or unique ID if is a Sentinel.*/
    
    //配置纪元，用于实现故障转移
    uint64_t config_epoch;  /* Configuration epoch. */
    
    //实例的地址
    sentinelAddr *addr; /* Master host. */
    
    //sentinel down-after-milliseconds选项设定的值
    //实例无响应多少毫秒之后才会被判断为主观下线（subjectively down）
    mstime_t down_after_period; /* Consider it down after that period. */
    
    //sentinel monitor    选项中的quorum
    //判断这个实例为客观下线（objective down）所需的支持投票的数量
    unsigned int quorum;/* Number of sentinels that need to agree on failure. */  
    //sentinel parallel-syncs   选项的numreplicas值
    //在执行故障转移操作时，可以同时对新的主服务器进行同步的从服务器数量
    int parallel_syncs; /* How many slaves to reconfigure at same time. */
    
    //sentinel failover-timeout  选项的值
    //刷新故障迁移状态的最大时限
    mstime_t failover_timeout;      /* Max time to refresh failover state. */
}

例如启动Sentinel时，配置了如下的配置文件：

# sentinel monitor    
sentinel monitor master1 127.0.0.1 6379 2

# sentinel down-after-milliseconds  
sentinel down-after-milliseconds master1 30000

# sentinel parallel-syncs  
sentinel parallel-syncs master1 1

# sentinel failover-timeout  
sentinel failover-timeout master1 900000

则Sentinel则会为主服务器master1创建如下图所示的实例结构：

Sentinel状态以及masters字典的机构如下：

创建连向主服务器的网络连接

创建连向被监视主服务器的网络连接，Sentinel将成为主服务器的客户端，向主服务器发送命令并从命令回复获取信息。

Sentinel会创建两个连向主服务器的异步网络连接：

• 命令连接，用于向主服务器发送命令并接收命令回复

• 订阅连接，订阅主服务器的_sentinel_:hello频道

Sentinel发送信息和获取信息

• Sentinel默认会以每十秒一次的频率，通过命令连接向被监视的master和slave发送INFO命令。

  通过master的回复可获取master本身信息，包括run_id域记录的服务器运行ID，以及role域记录的服务器角色。另外还会获取到master下的所有的从服务器信息，包括slave的ip地址和port端口号。Sentinel无需用户提供从服务器的地址信息，由master返回的slave的ip地址和port端口号，可以自动发现slave。

  当Sentinel发现master有新的slave出现时，Sentinel会为这个新的slave创建相应的实例外，Sentinel还会创建到slave的命令连接和订阅连接。

  根据slave的INFO命令的回复，Sentinel会提取如下信息：

  1.slave的运行ID run_id

  2.slave的角色role

  3.master的ip地址和port端口

  4.master和slave的连接状态master_link_status

  5.slave的优先级slave_priority

  6.slave的复制偏移量slave_repl_offset

• Sentinel在默认情况下会以每两秒一次的频率，通过命令连接向所有被监视的master和slave的_sentinel_:hello频道发送一条信息

  发送以下格式的命令：

     PUBLISH _sentinel_:hello   ",,,,,,,"

以上命令相关参数意义：

• Sentinel与master或者slave建立订阅连接之后，Sentinel就会通过订阅连接发送对_sentinel_:hello频道的订阅,订阅会持续到Sentinel与服务器的连接断开为止

命令如下所示：

SUBSCRIBE sentinel:hello

如上图所示，对于每个与Sentinel连接的服务器 ，Sentinel既可以通过命令连接向服务器频道_sentinel_:hello频道发送信息，又通过订阅连接从服务器的_sentinel_:hello频道接收信息。

• sentinel间会相互感知，新加入的sentinel会向master的_sentinel_:hello频道发布一条消息，包括自己的消息，其它该频道订阅者sentinel会发现新的sentinel。随后新的sentinel和其它sentinel会创建长连接。

相互连接的各个Sentinel可以进行信息交换。Sentinel为master创建的实例结构中的sentinels字典保存了除Sentinel本身之外，所有同样监视这个主服务器的其它Sentinel信息。

前面也讲到sentinel会为slave创建实例（在master实例的slaves字典中）。现在我们也知道通过sentinel相互信息交换，也创建了其它sentinel的实例（在master实例的sentinels字典中）。我们将一个sentinel中保存的实例结构大概情况理一下，如下图所示：

从上图可以看到slave和sentinel字典的键由其ip地址和port端口组成，格式为ip:port,其字典的值为其对应的sentinelRedisInstance实例。

master的故障发现

主观不可用

默认情况下Sentinel会以每秒一次的频率向所有与它创建了命令连接的master（包括master、slave、其它Sentinel）发送PING命令，并通过实例返回的PING命令回复来判断实例是否在线。

PING命令回复分为下面两种情况：

• 有效回复：实例返回 +PONG、-LOADING、-MASTERDOWN三种回复的一种

• 无效回复：除上面有效回复外的其它回复或者在指定时限内没有任何返回

Sentinel配置文件中的设置down-after-milliseconds毫秒时效内(各个sentinel可能配置的不相同)，连续向Sentinel返回无效回复，那么sentinel将此实例置为主观下线状态，在sentinel中维护的该实例flags属性中打开SRI_S_DOWN标识，例如master如下所示：

客观不可用

在sentinel发现主观不可用状态后，它会将“主观不可用状态”发给其它sentinel进行确认，当确认的sentinel节点数>=quorum，则判定该master为客观不可用，随后进入failover流程。

上面说到将主观不可用状态发给其它sentinel使用如下命令：

SENTINEL is-master-down-by-addr    

各个参数的意义如下：

• ip：被sentinel判断为主观下线的主服务器的ip地址

• port: 被sentinel判断为主观下线的主服务器的port地址

• current_epoch:sentinel的配置纪元，用于选举领头Sentinel

• runid：可以为*号或者Sentinel的运行ID，*号代表检测主服务器客观下线状态。Sentinel的运行ID用于选举领头Sentinel

接受到以上命令的sentinel会反回一条包含三个参数的Multi Bulk回复：

1）<down_state> 目标sentinel对该master检查结果，1:master已下线 2:master未下线

2）<leader_runid> 两种情况，*表示仅用于检测master下线状态 ，否则表示局部领头Sentinel的运行ID（选举领头Sentinel）

3）<leader_epoch> 当leader_runid为时，leader_epoch始终为0。不为时则表示目标Sentinel的局部领头Sentinel的配置纪元（用于选举领头Sentinel）

其中节点数量限制quorum为sentinel配置文件中配置的

sentinel monitor    

quorum选项，不同的sentinel配置的可能不相同。

当sentinel认为master为客观下线状态，则会将master属性中的flags的SRI_O_DOWN标识打开，例如master如下图所示：

选举Sentinel Leader

当一台master宕机时，可能多个sentinel节点同时发现并通过交互确认相互的“主观不可用状态”，同时达到“客观不可用状态”，同时打算发起failover。但最终只能有一个sentinel节点作为failover发起者，那么就需要选举出Sentinel Leader，需要开始一个Sentinel Leader选举过程。

Redis的Sentinel机制采用类似于Raft协议实现这个选举算法：

1.sentinelState的epoch变量类似于raft协议中的term（选举回合）。

2.每一个确认了master“客观不可用”的sentinel节点都会向周围广播自己的参选请求(SENTINEL is-master-down-by-addr ,current_epoch为自己的配置纪元，run_id为自己的运行ID)

3.每一个接收到参选请求的sentinel节点如果还没接收到其它参选请求，它就将本回合的意向置为首个参选sentinel并回复它（先到先得）；如果已经在本回合表过意向了，则拒绝其它参选，并将已有意向回复（如上所介绍的三个参数的Multi Bulk回复，down_state为1，leader_runid为首次接收到的发起参选请求的源sentinel的运行ID，leader_epoch为首次接收到的发起参选请求的源sentinel的配置纪元）

4.每个发起参选请求的sentinel节点如果收到超过一半的意向同意某个参选sentinel（可能是自己），则确定该sentinel为leader。如果本回合持续了足够长时间未选出leader，则开启下一个回合

leader sentinel 确定之后，leader sentinel从master所有的slave中依据一定规则选取一个作为新的master。

故障转移failover

在选举出Sentinel Leader之后，sentinel leader对已下线master执行故障转移：

• sentinel leader对已下线的master的所有slave中，选出一个状态良好、数据完整的slave，然后向这个slave发送:SLAVEOF no one命令，将这个slave转换为master。

  我们来看下新的master是怎么挑选出来的？Sentinel leader会将已下线的所有slave保存到一个列表，然后按照以下规则过滤筛选：

• 优先级最高的slave，redis.conf配置中replica-priority选项来标识，默认为100，replica-priority较低的优先级越高。0为特殊优先级，标志为不能升级为master。

• 如果存在多个优先级相等的slave，则会选择复制偏移量(offset)最大的slave(数据更加完整)

• 如果存在多个优先级相等，最大复制偏移量最大的slave，则选择运行ID最小的slave

选出需要升级为新的master的slave后，Sentinel Leader会向这个slave发送SLAVEOF no one 命令。之后Sentinel会以每秒一次频率(平时是十秒一次)向被升级slave发送INFO，当回复的role由slave变为master时Sentinel Leader就会知道已升级为master。

• sentinel leader 向已下线的master属下的slave发送SLAVEOF命令(SLAVEOF )，去复制新的master。

• 将旧的master设置为新的master的slave，并继续对其监视，当其重新上线时Sentinel会执行命令让其成为新的master的slave。

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