深入剖析Redis系列(三) - Redis集群模式搭建与原理详解
前言
在 Redis 3.0 之前，使用 哨兵（sentinel）機制來監控各個節點之間的狀態。Redis Cluster 是 Redis 的 分布式解決方案，在 3.0 版本正式推出，有效地解決了 Redis 在 分布式 方面的需求。當遇到 單機內存、并發、流量 等瓶頸時，可以采用 Cluster 架構方案達到 負載均衡 的目的。
本文將從 集群方案、數據分布、搭建集群、節點通信、集群伸縮、請求路由、故障轉移、集群運維 等幾個方面介紹 Redis Cluster。
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正文
1. Redis集群方案
Redis Cluster 集群模式通常具有 高可用、可擴展性、分布式、容錯 等特性。Redis 分布式方案一般有兩種：
1.1 客戶端分區方案
客戶端 就已經決定數據會被 存儲 到哪個 redis 節點或者從哪個 redis 節點 讀取數據。其主要思想是采用 哈希算法 將 Redis 數據的 key 進行散列，通過 hash 函數，特定的 key會 映射 到特定的 Redis 節點上。
客戶端分區方案 的代表為 Redis Sharding，Redis Sharding 是 Redis Cluster 出來之前，業界普遍使用的 Redis 多實例集群 方法。Java 的 Redis 客戶端驅動庫 Jedis，支持 Redis Sharding 功能，即 ShardedJedis 以及 結合緩存池 的 ShardedJedisPool。
- 優點
不使用 第三方中間件，分區邏輯 可控，配置 簡單，節點之間無關聯，容易 線性擴展，靈活性強。
- 缺點
客戶端 無法 動態增刪 服務節點，客戶端需要自行維護 分發邏輯，客戶端之間 無連接共享，會造成 連接浪費。
1.2. 代理分區方案
客戶端 發送請求到一個 代理組件，代理 解析 客戶端 的數據，并將請求轉發至正確的節點，最后將結果回復給客戶端。
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優點：簡化 客戶端 的分布式邏輯，客戶端 透明接入，切換成本低，代理的 轉發 和 存儲 分離。
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缺點：多了一層 代理層，加重了 架構部署復雜度 和 性能損耗。
代理分區 主流實現的有方案有 Twemproxy 和 Codis。
1.2.1. Twemproxy
Twemproxy 也叫 nutcraker，是 twitter 開源的一個 redis 和 memcache 的 中間代理服務器 程序。Twemproxy 作為 代理，可接受來自多個程序的訪問，按照 路由規則，轉發給后臺的各個 Redis 服務器，再原路返回。Twemproxy 存在 單點故障 問題，需要結合 Lvs 和 Keepalived 做 高可用方案。
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優點：應用范圍廣，穩定性較高，中間代理層 高可用。
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缺點：無法平滑地 水平擴容/縮容，無 可視化管理界面，運維不友好，出現故障，不能 自動轉移。
1.2.2. Codis
Codis 是一個 分布式 Redis 解決方案，對于上層應用來說，連接 Codis-Proxy 和直接連接 原生的 Redis-Server 沒有的區別。Codis 底層會 處理請求的轉發，不停機的進行 數據遷移 等工作。Codis 采用了無狀態的 代理層，對于 客戶端 來說，一切都是透明的。
- 優點
實現了上層 Proxy 和底層 Redis 的 高可用，數據分片 和 自動平衡，提供 命令行接口 和 RESTful API，提供 監控 和 管理 界面，可以動態 添加 和 刪除 Redis 節點。
- 缺點
部署架構 和 配置 復雜，不支持 跨機房 和 多租戶，不支持 鑒權管理。
1.3. 查詢路由方案
客戶端隨機地 請求任意一個 Redis 實例，然后由 Redis 將請求 轉發 給 正確 的 Redis 節點。Redis Cluster 實現了一種 混合形式 的 查詢路由，但并不是 直接 將請求從一個 Redis 節點 轉發 到另一個 Redis 節點，而是在 客戶端 的幫助下直接 重定向（ redirected）到正確的 Redis 節點。
- 優點
無中心節點，數據按照 槽 存儲分布在多個 Redis 實例上，可以平滑的進行節點 擴容/縮容，支持 高可用 和 自動故障轉移，運維成本低。
- 缺點
嚴重依賴 Redis-trib 工具，缺乏 監控管理，需要依賴 Smart Client (維護連接，緩存路由表，MultiOp 和 Pipeline 支持)。Failover 節點的 檢測過慢，不如 中心節點 ZooKeeper 及時。Gossip 消息具有一定開銷。無法根據統計區分 冷熱數據。
2. 數據分布
2.1. 數據分布理論
分布式數據庫 首先要解決把 整個數據集 按照 分區規則 映射到 多個節點 的問題，即把 數據集 劃分到 多個節點 上，每個節點負責 整體數據 的一個 子集。
數據分布通常有 哈希分區 和 順序分區 兩種方式，對比如下：
| 哈希分區 | 離散程度好，數據分布與業務無關，無法順序訪問 | Redis Cluster，Cassandra，Dynamo |
| 順序分區 | 離散程度易傾斜，數據分布與業務相關，可以順序訪問 | BigTable，HBase，Hypertable |
由于 Redis Cluster 采用 哈希分區規則，這里重點討論 哈希分區。常見的 哈希分區 規則有幾種，下面分別介紹：
2.1.1. 節點取余分區
使用特定的數據，如 Redis 的 鍵 或 用戶 ID，再根據 節點數量 N 使用公式：hash（key）% N 計算出 哈希值，用來決定數據 映射 到哪一個節點上。
- 優點
這種方式的突出優點是 簡單性，常用于 數據庫 的 分庫分表規則。一般采用 預分區 的方式，提前根據 數據量 規劃好 分區數，比如劃分為 512 或 1024 張表，保證可支撐未來一段時間的 數據容量，再根據 負載情況 將 表 遷移到其他 數據庫 中。擴容時通常采用 翻倍擴容，避免 數據映射 全部被 打亂，導致 全量遷移 的情況。
- 缺點
當 節點數量 變化時，如 擴容 或 收縮 節點，數據節點 映射關系 需要重新計算，會導致數據的 重新遷移。
2.1.2. 一致性哈希分區
一致性哈希 可以很好的解決 穩定性問題，可以將所有的 存儲節點 排列在 收尾相接 的 Hash 環上，每個 key 在計算 Hash 后會 順時針 找到 臨接 的 存儲節點 存放。而當有節點 加入 或 退出 時，僅影響該節點在 Hash 環上 順時針相鄰 的 后續節點。
- 優點
加入 和 刪除 節點只影響 哈希環 中 順時針方向 的 相鄰的節點，對其他節點無影響。
- 缺點
加減節點 會造成 哈希環 中部分數據 無法命中。當使用 少量節點 時，節點變化 將大范圍影響 哈希環 中 數據映射，不適合 少量數據節點 的分布式方案。普通 的 一致性哈希分區 在增減節點時需要 增加一倍 或 減去一半 節點才能保證 數據 和 負載的均衡。
注意：因為 一致性哈希分區 的這些缺點，一些分布式系統采用 虛擬槽 對 一致性哈希 進行改進，比如 Dynamo 系統。
2.1.3. 虛擬槽分區
虛擬槽分區 巧妙地使用了 哈希空間，使用 分散度良好 的 哈希函數 把所有數據 映射 到一個 固定范圍 的 整數集合 中，整數定義為 槽（slot）。這個范圍一般 遠遠大于 節點數，比如 Redis Cluster 槽范圍是 0 ~ 16383。槽 是集群內 數據管理 和 遷移 的 基本單位。采用 大范圍槽 的主要目的是為了方便 數據拆分 和 集群擴展。每個節點會負責 一定數量的槽，如圖所示：
當前集群有 5 個節點，每個節點平均大約負責 3276 個 槽。由于采用 高質量 的 哈希算法，每個槽所映射的數據通常比較 均勻，將數據平均劃分到 5 個節點進行 數據分區。Redis Cluster 就是采用 虛擬槽分區。
- 節點1： 包含 0 到 3276 號哈希槽。
- 節點2：包含 3277 到 6553 號哈希槽。
- 節點3：包含 6554 到 9830 號哈希槽。
- 節點4：包含 9831 到 13107 號哈希槽。
- 節點5：包含 13108 到 16383 號哈希槽。
這種結構很容易 添加 或者 刪除 節點。如果 增加 一個節點 6，就需要從節點 1 ~ 5 獲得部分 槽 分配到節點 6 上。如果想 移除 節點 1，需要將節點 1 中的 槽 移到節點 2 ~ 5 上，然后將 沒有任何槽 的節點 1 從集群中 移除 即可。
由于從一個節點將 哈希槽 移動到另一個節點并不會 停止服務，所以無論 添加刪除 或者 改變 某個節點的 哈希槽的數量 都不會造成 集群不可用 的狀態.
2.2. Redis的數據分區
Redis Cluster 采用 虛擬槽分區，所有的 鍵 根據 哈希函數 映射到 0~16383 整數槽內，計算公式：slot = CRC16（key）& 16383。每個節點負責維護一部分槽以及槽所映射的 鍵值數據，如圖所示：
2.2.1. Redis虛擬槽分區的特點
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解耦 數據 和 節點 之間的關系，簡化了節點 擴容 和 收縮 難度。
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節點自身 維護槽的 映射關系，不需要 客戶端 或者 代理服務 維護 槽分區元數據。
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支持 節點、槽、鍵 之間的 映射查詢，用于 數據路由、在線伸縮 等場景。
2.3. Redis集群的功能限制
Redis 集群相對 單機 在功能上存在一些限制，需要 開發人員 提前了解，在使用時做好規避。
- key 批量操作 支持有限。
類似 mset、mget 操作，目前只支持對具有相同 slot 值的 key 執行 批量操作。對于 映射為不同 slot 值的 key 由于執行 mget、mget 等操作可能存在于多個節點上，因此不被支持。
- key 事務操作 支持有限。
只支持 多 key 在 同一節點上 的 事務操作，當多個 key 分布在 不同 的節點上時 無法 使用事務功能。
- key 作為 數據分區 的最小粒度
不能將一個 大的鍵值 對象如 hash、list 等映射到 不同的節點。
- 不支持 多數據庫空間
單機 下的 Redis 可以支持 16 個數據庫（db0 ~ db15），集群模式 下只能使用 一個 數據庫空間，即 db0。
- 復制結構 只支持一層
從節點 只能復制 主節點，不支持 嵌套樹狀復制 結構。
3. Redis集群搭建
Redis-Cluster 是 Redis 官方的一個 高可用 解決方案，Cluster 中的 Redis 共有 2^14（16384） 個 slot 槽。創建 Cluster 后，槽 會 平均分配 到每個 Redis 節點上。
下面介紹一下本機啟動 6 個 Redis 的 集群服務，并使用 redis-trib.rb 創建 3主3從 的 集群。搭建集群工作需要以下三個步驟：
3.1. 準備節點
Redis 集群一般由 多個節點 組成，節點數量至少為 6 個，才能保證組成 完整高可用 的集群。每個節點需要 開啟配置 cluster-enabled yes，讓 Redis 運行在 集群模式 下。
Redis 集群的節點規劃如下：
| redis-6379 | 6379 | 主節點 | --- |
| redis-6389 | 6389 | 從節點 | redis-6379 |
| redis-6380 | 6380 | 主節點 | --- |
| redis-6390 | 6390 | 從節點 | redis-6380 |
| redis-6381 | 6381 | 主節點 | --- |
| redis-6391 | 6391 | 從節點 | redis-6381 |
注意：建議為集群內 所有節點 統一目錄，一般劃分三個目錄：conf、data、log，分別存放 配置、數據 和 日志 相關文件。把 6 個節點配置統一放在 conf 目錄下。
3.1.1. 創建redis各實例目錄
$ sudo mkdir -p /usr/local/redis-cluster $ cd /usr/local/redis-cluster $ sudo mkdir conf data log $ sudo mkdir -p data/redis-6379 data/redis-6389 data/redis-6380 data/redis-6390 data/redis-6381 data/redis-6391 復制代碼3.1.2. redis配置文件管理
根據以下 模板 配置各個實例的 redis.conf，以下只是搭建集群需要的 基本配置，可能需要根據實際情況做修改。
# redis后臺運行 daemonize yes # 綁定的主機端口 bind 127.0.0.1 # 數據存放目錄 dir /usr/local/redis-cluster/data/redis-6379 # 進程文件 pidfile /var/run/redis-cluster/${自定義}.pid # 日志文件 logfile /usr/local/redis-cluster/log/${自定義}.log # 端口號 port 6379 # 開啟集群模式，把注釋#去掉 cluster-enabled yes # 集群的配置，配置文件首次啟動自動生成 cluster-config-file /usr/local/redis-cluster/conf/${自定義}.conf # 請求超時，設置10秒 cluster-node-timeout 10000 # aof日志開啟，有需要就開啟，它會每次寫操作都記錄一條日志 appendonly yes 復制代碼- redis-6379.conf
- redis-6389.conf
- redis-6380.conf
- redis-6390.conf
- redis-6381.conf
- redis-6391.conf
3.2. 環境準備
3.2.1. 安裝Ruby環境
$ sudo brew install ruby 復制代碼3.2.2. 準備rubygem redis依賴
$ sudo gem install redis Password: Fetching: redis-4.0.2.gem (100%) Successfully installed redis-4.0.2 Parsing documentation for redis-4.0.2 Installing ri documentation for redis-4.0.2 Done installing documentation for redis after 1 seconds 1 gem installed 復制代碼3.2.3. 拷貝redis-trib.rb到集群根目錄
redis-trib.rb 是 redis 官方推出的管理 redis 集群 的工具，集成在 redis 的源碼 src 目錄下，將基于 redis 提供的 集群命令 封裝成 簡單、便捷、實用 的 操作工具。
$ sudo cp /usr/local/redis-4.0.11/src/redis-trib.rb /usr/local/redis-cluster 復制代碼查看 redis-trib.rb 命令環境是否正確，輸出如下：
$ ./redis-trib.rb Usage: redis-trib <command> <options> <arguments ...>create host1:port1 ... hostN:portN--replicas <arg>check host:portinfo host:portfix host:port--timeout <arg>reshard host:port--from <arg>--to <arg>--slots <arg>--yes--timeout <arg>--pipeline <arg>rebalance host:port--weight <arg>--auto-weights--use-empty-masters--timeout <arg>--simulate--pipeline <arg>--threshold <arg>add-node new_host:new_port existing_host:existing_port--slave--master-id <arg>del-node host:port node_idset-timeout host:port millisecondscall host:port command arg arg .. argimport host:port--from <arg>--copy--replacehelp (show this help)For check, fix, reshard, del-node, set-timeout you can specify the host and port of any working node in the cluster. 復制代碼redis-trib.rb 是 redis 作者用 ruby 完成的。redis-trib.rb 命令行工具 的具體功能如下：
| create | 創建集群 |
| check | 檢查集群 |
| info | 查看集群信息 |
| fix | 修復集群 |
| reshard | 在線遷移slot |
| rebalance | 平衡集群節點slot數量 |
| add-node | 將新節點加入集群 |
| del-node | 從集群中刪除節點 |
| set-timeout | 設置集群節點間心跳連接的超時時間 |
| call | 在集群全部節點上執行命令 |
| import | 將外部redis數據導入集群 |
3.3. 安裝集群
3.3.1. 啟動redis服務節點
運行如下命令啟動 6 臺 redis 節點：
sudo redis-server conf/redis-6379.conf sudo redis-server conf/redis-6389.conf sudo redis-server conf/redis-6380.conf sudo redis-server conf/redis-6390.conf sudo redis-server conf/redis-6381.conf sudo redis-server conf/redis-6391.conf 復制代碼啟動完成后，redis 以集群模式啟動，查看各個 redis 節點的進程狀態：
$ ps -ef | grep redis-server0 1908 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6379 [cluster] 0 1911 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6389 [cluster] 0 1914 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6380 [cluster] 0 1917 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6390 [cluster] 0 1920 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6381 [cluster] 0 1923 1 0 4:59下午 ?? 0:00.01 redis-server *:6391 [cluster] 復制代碼在每個 redis 節點的 redis.conf 文件中，我們都配置了 cluster-config-file 的文件路徑，集群啟動時，conf 目錄會新生成 集群 節點配置文件。查看文件列表如下：
$ tree -L 3 . . ├── appendonly.aof ├── conf │ ├── node-6379.conf │ ├── node-6380.conf │ ├── node-6381.conf │ ├── node-6389.conf │ ├── node-6390.conf │ ├── node-6391.conf │ ├── redis-6379.conf │ ├── redis-6380.conf │ ├── redis-6381.conf │ ├── redis-6389.conf │ ├── redis-6390.conf │ └── redis-6391.conf ├── data │ ├── redis-6379 │ ├── redis-6380 │ ├── redis-6381 │ ├── redis-6389 │ ├── redis-6390 │ └── redis-6391 ├── log │ ├── redis-6379.log │ ├── redis-6380.log │ ├── redis-6381.log │ ├── redis-6389.log │ ├── redis-6390.log │ └── redis-6391.log └── redis-trib.rb9 directories, 20 files 復制代碼3.3.2. redis-trib關聯集群節點
按照 從主到從 的方式 從左到右 依次排列 6 個 redis 節點。
$ sudo ./redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:6379 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6389 127.0.0.1:6390 127.0.0.1:6391 復制代碼集群創建后，redis-trib 會先將 16384 個 哈希槽 分配到 3 個 主節點，即 redis-6379，redis-6380 和 redis-6381。然后將各個 從節點 指向 主節點，進行 數據同步。
>>> Creating cluster >>> Performing hash slots allocation on 6 nodes... Using 3 masters: 127.0.0.1:6379 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 Adding replica 127.0.0.1:6390 to 127.0.0.1:6379 Adding replica 127.0.0.1:6391 to 127.0.0.1:6380 Adding replica 127.0.0.1:6389 to 127.0.0.1:6381 >>> Trying to optimize slaves allocation for anti-affinity [WARNING] Some slaves are in the same host as their master M: ad4b9ffceba062492ed67ab336657426f55874b7 127.0.0.1:6379slots:0-5460 (5461 slots) master M: df23c6cad0654ba83f0422e352a81ecee822702e 127.0.0.1:6380slots:5461-10922 (5462 slots) master M: ab9da92d37125f24fe60f1f33688b4f8644612ee 127.0.0.1:6381slots:10923-16383 (5461 slots) master S: 25cfa11a2b4666021da5380ff332b80dbda97208 127.0.0.1:6389replicates ad4b9ffceba062492ed67ab336657426f55874b7 S: 48e0a4b539867e01c66172415d94d748933be173 127.0.0.1:6390replicates df23c6cad0654ba83f0422e352a81ecee822702e S: d881142a8307f89ba51835734b27cb309a0fe855 127.0.0.1:6391replicates ab9da92d37125f24fe60f1f33688b4f8644612ee 復制代碼然后輸入 yes，redis-trib.rb 開始執行 節點握手 和 槽分配 操作，輸出如下：
Can I set the above configuration? (type 'yes' to accept): yes >>> Nodes configuration updated >>> Assign a different config epoch to each node >>> Sending CLUSTER MEET messages to join the cluster Waiting for the cluster to join.... >>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:6379) M: ad4b9ffceba062492ed67ab336657426f55874b7 127.0.0.1:6379slots:0-5460 (5461 slots) master1 additional replica(s) M: ab9da92d37125f24fe60f1f33688b4f8644612ee 127.0.0.1:6381slots:10923-16383 (5461 slots) master1 additional replica(s) S: 48e0a4b539867e01c66172415d94d748933be173 127.0.0.1:6390slots: (0 slots) slavereplicates df23c6cad0654ba83f0422e352a81ecee822702e S: d881142a8307f89ba51835734b27cb309a0fe855 127.0.0.1:6391slots: (0 slots) slavereplicates ab9da92d37125f24fe60f1f33688b4f8644612ee M: df23c6cad0654ba83f0422e352a81ecee822702e 127.0.0.1:6380slots:5461-10922 (5462 slots) master1 additional replica(s) S: 25cfa11a2b4666021da5380ff332b80dbda97208 127.0.0.1:6389slots: (0 slots) slavereplicates ad4b9ffceba062492ed67ab336657426f55874b7 [OK] All nodes agree about slots configuration. >>> Check for open slots... >>> Check slots coverage... [OK] All 16384 slots covered. 復制代碼執行 集群檢查，檢查各個 redis 節點占用的 哈希槽（slot）的個數以及 slot 覆蓋率。16384 個槽位中，主節點 redis-6379、redis-6380 和 redis-6381 分別占用了 5461、5461 和 5462 個槽位。
3.3.3. redis主節點的日志
可以發現，通過 BGSAVE 命令，從節點 redis-6389 在 后臺 異步地從 主節點 redis-6379 同步數據。
$ cat log/redis-6379.log 1907:C 05 Sep 16:59:52.960 # oO0OoO0OoO0Oo Redis is starting oO0OoO0OoO0Oo 1907:C 05 Sep 16:59:52.961 # Redis version=4.0.11, bits=64, commit=00000000, modified=0, pid=1907, just started 1907:C 05 Sep 16:59:52.961 # Configuration loaded 1908:M 05 Sep 16:59:52.964 * Increased maximum number of open files to 10032 (it was originally set to 256). 1908:M 05 Sep 16:59:52.965 * No cluster configuration found, I'm ad4b9ffceba062492ed67ab336657426f55874b7 1908:M 05 Sep 16:59:52.967 * Running mode=cluster, port=6379. 1908:M 05 Sep 16:59:52.967 # Server initialized 1908:M 05 Sep 16:59:52.967 * Ready to accept connections 1908:M 05 Sep 17:01:17.782 # configEpoch set to 1 via CLUSTER SET-CONFIG-EPOCH 1908:M 05 Sep 17:01:17.812 # IP address for this node updated to 127.0.0.1 1908:M 05 Sep 17:01:22.740 # Cluster state changed: ok 1908:M 05 Sep 17:01:23.681 * Slave 127.0.0.1:6389 asks for synchronization 1908:M 05 Sep 17:01:23.681 * Partial resynchronization not accepted: Replication ID mismatch (Slave asked for '4c5afe96cac51cde56039f96383ea7217ef2af41', my replication IDs are '037b661bf48c80c577d1fa937ba55367a3692921' and '0000000000000000000000000000000000000000') 1908:M 05 Sep 17:01:23.681 * Starting BGSAVE for SYNC with target: disk 1908:M 05 Sep 17:01:23.682 * Background saving started by pid 1952 1952:C 05 Sep 17:01:23.683 * DB saved on disk 1908:M 05 Sep 17:01:23.749 * Background saving terminated with success 1908:M 05 Sep 17:01:23.752 * Synchronization with slave 127.0.0.1:6389 succeeded 復制代碼3.3.4. redis集群完整性檢測
使用 redis-trib.rb check 命令檢測之前創建的 兩個集群 是否成功，check 命令只需要給出集群中 任意一個節點地址 就可以完成 整個集群 的 檢查工作，命令如下：
$ ./redis-trib.rb check 127.0.0.1:6379 復制代碼當最后輸出如下信息，提示集群 所有的槽 都已分配到節點：
[OK] All nodes agree about slots configuration. >>> Check for open slots... >>> Check slots coverage... [OK] All 16384 slots covered. 復制代碼小結
本文介紹了 Redis 集群解決方案，數據分布 和 集群搭建。集群方案包括 客戶端分區 方案，代理分區 方案 和 查詢路由 方案。數據分布 部分簡單地對 節點取余 分區，一致性哈希 分區以及 虛擬槽 分區進行了闡述和對比。最后對使用 Redis-trib 搭建了一個 三主三從 的 虛擬槽 集群示例。
參考
《Redis 開發與運維》
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的深入剖析Redis系列(三) - Redis集群模式搭建与原理详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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