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Redis 主从复制、哨兵与集群的关系及工作原理详解

news 2025/9/18 5:27:10

一、核心概念与关系

Redis 的 主从复制、哨兵（Sentinel） 和 集群（Cluster） 是逐步演进的高可用与分布式解决方案，三者关系如下：

主从复制：数据冗余与读写分离的基础。
哨兵：在主从基础上实现自动故障转移（高可用）。
集群：在分片（Sharding）基础上集成主从复制和自动故障转移（分布式+高可用）。

三者关系可总结为：

主从复制 是数据同步的基础机制。
哨兵是主从的增强，提供故障检测与自动切换。
集群是更高维度的分布式架构，融合主从复制和分片技术。

二、主从复制（Master-Slave Replication）

1. 核心作用

数据冗余：从节点（Slave）复制主节点（Master）数据，实现备份。
读写分离：主节点处理写请求，从节点处理读请求，提升读吞吐量。

2. 工作原理

全量同步：
- 从节点首次连接主节点时，主节点生成 RDB 快照发送给从节点。
- 从节点加载 RDB 文件完成初始数据复制。
增量同步：
- 主节点将写命令写入 复制缓冲区（Replication Buffer）。
- 从节点持续接收并执行缓冲区中的命令，保持数据一致性。

3. 架构局限

单点故障：主节点宕机后需手动切换从节点为主节点。
写性能瓶颈：所有写操作集中在主节点。

三、哨兵（Sentinel）

1. 核心作用

监控：持续检查主从节点健康状态。
自动故障转移：主节点宕机时，选举新主节点并通知客户端。
配置中心：客户端通过哨兵获取最新的主节点地址。

2. 工作原理

监控阶段：
- 哨兵通过定期发送 PING 命令检测节点状态。
- 若主节点未响应，哨兵将其标记为 主观下线（SDOWN）。
选举阶段：
- 多个哨兵协商确认主节点 客观下线（ODOWN）。
- 哨兵通过 Raft 算法选举 领导者哨兵 负责故障转移。
故障转移：
- 领导者哨兵从从节点中选出新主节点（基于优先级、复制偏移量等）。
- 通知其他从节点复制新主节点，并更新客户端连接。

3.经典架构

           +------------+  
           |  Sentinel  |  
           +------------+  
                  |  
+------------+     |      +------------+  
|  Master    |<----+----->|  Slave 1   |  
+------------+            +------------+  
     |  
     v  
+------------+  
|  Slave 2   |  
+------------+

4.适用场景

中小规模 Redis 服务，需要高可用但无需水平扩展

四、Redis 集群（Cluster）

1. 核心作用

数据分片（Sharding）：将数据分布到多个节点，突破单机内存限制。
高可用：每个分片（Shard）采用主从复制，支持自动故障转移。

2. 工作原理

分片机制：
- 集群将数据划分为 16384 个哈希槽（Slot），每个节点负责部分槽。
- 客户端通过 CRC16(key) % 16384 计算 key 所属槽，路由到对应节点。
节点通信：
- 节点间通过 Gossip 协议 交换状态信息（如槽分配、节点状态）。
故障转移：
- 若主节点宕机，其从节点通过 选举机制 升级为新主节点（类似哨兵）。
- 客户端自动重定向到新主节点。

3. 典型架构

+----------------+       +----------------+  
|  Master 1      |<----->|  Slave 1-1     |  
| (Slots 0-5460) |       | (Replica)      |  
+----------------+       +----------------+  
          |  
          v  
+----------------+       +----------------+  
|  Master 2      |<----->|  Slave 2-1     |  
| (Slots 5461-10922)|    | (Replica)      |  
+----------------+       +----------------+  
          |  
          v  
+----------------+       +----------------+  
|  Master 3      |<----->|  Slave 3-1     |  
| (Slots 10923-16383) |  | (Replica)      |  
+----------------+       +----------------+

4. 关键特性

数据迁移：支持动态增删节点，槽可重新分配。
跨槽操作限制：MGET、MSET 等命令需所有 key 在同一节点，否则需用 {hash_tag} 强制路由。

5. 适用场景

大规模数据存储，需水平扩展和高可用性。

五、三者对比总结

特性	主从复制	哨兵模式	集群模式
核心目标	数据冗余、读写分离	高可用（自动故障转移）	分布式存储 + 高可用
数据分布	全量复制	全量复制	分片（16384 槽）
故障处理	手动切换	自动切换	自动切换（内置哨兵逻辑）
扩展性	垂直扩展（单机）	垂直扩展	水平扩展（多节点分片）
适用场景	小型应用	中小型高可用场景	大型分布式系统