redis cluster

redis cluster是Redis的分布式解決方案，在3.0版本推出后有效地解決了redis分布式方面的需求

自動將數據進行分片，每個master上放一部分數據

提供內置的高可用支持，部分master不可用時，還是可以繼續工作的

支撐N個redis master node，每個master node都可以掛載多個slave node

高可用，因為每個master都有salve節點，那么如果mater掛掉，redis cluster這套機制，就會自動將某個slave切換成master

redis cluster vs. replication + sentinal

如果你的數據量很少，主要是承載高并發高性能的場景，比如你的緩存一般就幾個G，單機足夠了

replication，一個mater，多個slave，要幾個slave跟你的要求的讀吞吐量有關系，然后自己搭建一個sentinal集群，去保證redis主從架構的高可用性，就可以了

redis cluster，主要是針對海量數據+高并發+高可用的場景，海量數據，如果你的數據量很大，那么建議就用redis cluster

數據分布算法

hash算法

比如你有 N 個 redis實例，那么如何將一個key映射到redis上呢，你很可能會采用類似下面的通用方法計算 key的 hash 值，然后均勻的映射到到 N 個 redis上：

hash(key)%N

如果增加一個redis，映射公式變成了 hash(key)%(N+1)

如果一個redis宕機了，映射公式變成了 hash(key)%(N-1)

在這兩種情況下，幾乎所有的緩存都失效了。會導致數據庫訪問的壓力陡增，嚴重情況，還可能導致數據庫宕機。

一致性hash算法

一個master宕機不會導致大部分緩存失效，可能存在緩存熱點問題

用虛擬節點改進

redis cluster的hash slot算法

redis cluster有固定的16384個hash slot，對每個key計算CRC16值，然后對16384取模，可以獲取key對應的hash slot

redis cluster中每個master都會持有部分slot，比如有3個master，那么可能每個master持有5000多個hash slot

hash slot讓node的增加和移除很簡單，增加一個master，就將其他master的hash slot移動部分過去，減少一個master，就將它的hash slot移動到其他master上去

移動hash slot的成本是非常低的

客戶端的api，可以對指定的數據，讓他們走同一個hash slot，通過hash tag來實現

127.0.0.1:7000>CLUSTER ADDSLOTS 0 1 2 3 4 ... 5000 可以將槽0-5000指派給節點7000負責。

每個節點都會記錄哪些槽指派給了自己，哪些槽指派給了其他節點。

客戶端向節點發送鍵命令，節點要計算這個鍵屬于哪個槽。

如果是自己負責這個槽，那么直接執行命令，如果不是，向客戶端返回一個MOVED錯誤，指引客戶端轉向正確的節點。

redis cluster 多master的寫入

在redis cluster寫入數據的時候，其實是你可以將請求發送到任意一個master上去執行

但是，每個master都會計算這個key對應的CRC16值，然后對16384個hashslot取模，找到key對應的hashslot，找到hashslot對應的master

如果對應的master就在自己本地的話，set mykey1 v1，mykey1這個key對應的hashslot就在自己本地，那么自己就處理掉了

但是如果計算出來的hashslot在其他master上，那么就會給客戶端返回一個moved error，告訴你，你得到哪個master上去執行這條寫入的命令

什么叫做多master的寫入，就是每條數據只能存在于一個master上，不同的master負責存儲不同的數據，分布式的數據存儲

100w條數據，5個master，每個master就負責存儲20w條數據，分布式數據存儲

默認情況下，redis cluster的核心的理念，主要是用slave做高可用的，每個master掛一兩個slave，主要是做數據的熱備，還有master故障時的主備切換，實現高可用的

redis cluster默認是不支持slave節點讀或者寫的，跟我們手動基于replication搭建的主從架構不一樣的

jedis客戶端，對redis cluster的讀寫分離支持不太好的

默認的話就是讀和寫都到master上去執行的

如果你要讓最流行的jedis做redis cluster的讀寫分離的訪問，那可能還得自己修改一點jedis的源碼，成本比較高

讀寫分離，是為了什么，主要是因為要建立一主多從的架構，才能橫向任意擴展slave node去支撐更大的讀吞吐量

redis cluster的架構下，實際上本身master就是可以任意擴展的，你如果要支撐更大的讀吞吐量，或者寫吞吐量，或者數據量，都可以直接對master進行橫向擴展就可以了

節點間的內部通信機制

1、基礎通信原理

（1）redis cluster節點間采取gossip協議進行通信

跟集中式不同，不是將集群元數據（節點信息，故障，等等）集中存儲在某個節點上，而是互相之間不斷通信，保持整個集群所有節點的數據是完整的

集中式：好處在于，元數據的更新和讀取，時效性非常好，一旦元數據出現了變更，立即就更新到集中式的存儲中，其他節點讀取的時候立即就可以感知到; 不好在于，所有的元數據的跟新壓力全部集中在一個地方，可能會導致元數據的存儲有壓力

gossip：好處在于，元數據的更新比較分散，不是集中在一個地方，更新請求會陸陸續續，打到所有節點上去更新，有一定的延時，降低了壓力; 缺點，元數據更新有延時，可能導致集群的一些操作會有一些滯后

（2）10000端口

每個節點都有一個專門用于節點間通信的端口，就是自己提供服務的端口號+10000，比如7001，那么用于節點間通信的就是17001端口

每隔節點每隔一段時間都會往另外幾個節點發送ping消息，同時其他幾點接收到ping之后返回pong

（3）交換的信息

故障信息，節點的增加和移除，hash slot信息，等等

2、gossip協議

gossip協議包含多種消息，包括ping，pong，meet，fail，等等

meet: 某個節點發送meet給新加入的節點，讓新節點加入集群中，然后新節點就會開始與其他節點進行通信

redis-trib.rb add-node

其實內部就是發送了一個gossip meet消息，給新加入的節點，通知那個節點去加入我們的集群

ping: 每個節點都會頻繁給其他節點發送ping，其中包含自己的狀態還有自己維護的集群元數據，互相通過ping交換元數據

每個節點每秒都會頻繁發送ping給其他的集群，ping，頻繁的互相之間交換數據，互相進行元數據的更新

pong: 返回ping和meet，包含自己的狀態和其他信息，也可以用于信息廣播和更新

fail: 某個節點判斷另一個節點fail之后，就發送fail給其他節點，通知其他節點，指定的節點宕機了

3、ping消息深入

ping很頻繁，而且要攜帶一些元數據，所以可能會加重網絡負擔

每個節點每秒會執行10次ping，每次會選擇5個最久沒有通信的其他節點

當然如果發現某個節點通信延時達到了cluster_node_timeout / 2，那么立即發送ping，避免數據交換延時過長，落后的時間太長了

比如說，兩個節點之間都10分鐘沒有交換數據了，那么整個集群處于嚴重的元數據不一致的情況，就會有問題

所以cluster_node_timeout可以調節，如果調節比較大，那么會降低發送的頻率

每次ping，一個是帶上自己節點的信息，還有就是帶上1/10其他節點的信息，發送出去，進行數據交換

至少包含3個其他節點的信息，最多包含總節點-2個其他節點的信息

基于重定向的客戶端

（1）請求重定向

客戶端可能會挑選任意一個redis實例去發送命令，每個redis實例接收到命令，都會計算key對應的hash slot

如果在本地就在本地處理，否則返回moved給客戶端，讓客戶端進行重定向

cluster keyslot mykey，可以查看一個key對應的hash slot是什么

用redis-cli的時候，可以加入-c參數，支持自動的請求重定向，redis-cli接收到moved之后，會自動重定向到對應的節點執行命令

（2）計算hash slot

計算hash slot的算法，就是根據key計算CRC16值，然后對16384取模，拿到對應的hash slot

用hash tag可以手動指定key對應的slot，同一個hash tag下的key，都會在一個hash slot中，比如set mykey1:{100}和set mykey2:{100}

（3）hash slot查找

節點間通過gossip協議進行數據交換，就知道每個hash slot在哪個節點上

smart jedis

（1）什么是smart jedis

基于重定向的客戶端，很消耗網絡IO，因為大部分情況下，可能都會出現一次請求重定向，才能找到正確的節點

所以大部分的客戶端，比如java redis客戶端，就是jedis，都是smart的

本地維護一份hashslot -> node的映射表，緩存，大部分情況下，直接走本地緩存就可以找到hashslot -> node，不需要通過節點進行moved重定向

（2）JedisCluster的工作原理

在JedisCluster初始化的時候，就會隨機選擇一個node，初始化hashslot -> node映射表，同時為每個節點創建一個JedisPool連接池

每次基于JedisCluster執行操作，首先JedisCluster都會在本地計算key的hashslot，然后在本地映射表找到對應的節點

如果那個node正好還是持有那個hashslot，那么就ok; 如果說進行了reshard這樣的操作，可能hashslot已經不在那個node上了，就會返回moved

如果JedisCluter API發現對應的節點返回moved，那么利用該節點的元數據，更新本地的hashslot -> node映射表緩存

重復上面幾個步驟，直到找到對應的節點，如果重試超過5次，那么就報錯，JedisClusterMaxRedirectionException

jedis老版本，可能會出現在集群某個節點故障還沒完成自動切換恢復時，頻繁更新hash slot，頻繁ping節點檢查活躍，導致大量網絡IO開銷

jedis最新版本，對于這些過度的hash slot更新和ping，都進行了優化，避免了類似問題

（3）hashslot遷移和ask重定向

如果hash slot正在遷移，那么會返回ask重定向給jedis

jedis接收到ask重定向之后，會重新定位到目標節點去執行，但是因為ask發生在hash slot遷移過程中，所以JedisCluster API收到ask是不會更新hashslot本地緩存

已經可以確定說，hashslot已經遷移完了，moved是會更新本地hashslot->node映射表緩存的

高可用性與主備切換原理

redis cluster的高可用的原理，幾乎跟哨兵是類似的

1、判斷節點宕機

如果一個節點認為另外一個節點宕機，那么就是pfail，主觀宕機

如果多個節點都認為另外一個節點宕機了，那么就是fail，客觀宕機，跟哨兵的原理幾乎一樣，sdown，odown

在cluster-node-timeout內，某個節點一直沒有返回pong，那么就被認為pfail

如果一個節點認為某個節點pfail了，那么會在gossip ping消息中，ping給其他節點，如果超過半數的節點都認為pfail了，那么就會變成fail

2、從節點過濾

對宕機的master node，從其所有的slave node中，選擇一個切換成master node

檢查每個slave node與master node斷開連接的時間，如果超過了cluster-node-timeout * cluster-slave-validity-factor，那么就沒有資格切換成master

這個也是跟哨兵是一樣的，從節點超時過濾的步驟

3、從節點選舉

哨兵：對所有從節點進行排序，slave priority，offset，run id

每個從節點，都根據自己對master復制數據的offset，來設置一個選舉時間，offset越大（復制數據越多）的從節點，選舉時間越靠前，優先進行選舉

所有的master node開始slave選舉投票，給要進行選舉的slave進行投票，如果大部分master node（N/2 + 1）都投票給了某個從節點，那么選舉通過，那個從節點可以切換成master

從節點執行主備切換，從節點切換為主節點

4、與哨兵比較

整個流程跟哨兵相比，非常類似，所以說，redis cluster功能強大，直接集成了replication和sentinal的功能

補充：redis集群（cluster）模式 詳解與實操

一 概念

Redis集群是一個分布式（distributed）、容錯（fault-tolerant）的 Redis內存K/V服務， 集群可以使用的功能是普通單機 Redis 所能使用的功能的一個子集（subset），比如Redis集群并不支持處理多個keys的命令,因為這需要在不同的節點間移動數據,從而達不到像Redis那樣的性能,在高負載的情況下可能會導致不可預料的錯誤。

二 特性

Redis集群的幾個重要特征：

1.Redis 集群的分片特征在于將鍵空間分拆了16384個槽位，每一個節點負責其中一些槽位。

2.Redis提供一定程度的可用性,可以在某個節點宕機或者不可達的情況下繼續處理命令.（只要集群中大多數Master可達、且失效的Master至少有一個Slave可達，即集群非Fail狀態，集群都是可用）

3.Redis 集群中不存在中心（central）節點或者代理（proxy）節點， 集群的其中一個主要設計目標是達到線性可擴展性（linear scalability）

三 架構

3.1 redis-cluster架構圖

實現哈希映射

架構細節:

所有的redis節點彼此互聯(PING-PONG機制),內部使用二進制協議優化傳輸速度和帶寬.

節點的fail是通過集群中超過半數的節點檢測失效時才生效.

客戶端與redis節點直連,不需要中間proxy層.客戶端不需要連接集群所有節點,連接集群中任何一個可用節點即可

redis-cluster把所有的物理節點映射到[0-16383]slot上,cluster 負責維護node->slot->value

3.2 redis-cluster選舉:容錯

選舉過程是集群中所有master參與,如果半數以上master節點與某個master節點通信超時(cluster-node-timeout),認為該master節點掛掉.

什么時候整個集群不可用(cluster_state:fail)：

a:如果集群任意master掛掉,且當前master沒有slave，集群進入fail狀態,也可以理解成集群的slot映射[0-16383]不完全時進入fail狀態.

b:如果集群超過半數以上master掛掉，無論是否有slave，集群進入fail狀態.

當集群不可用時,所有對集群的操作做都不可用，收到((error) CLUSTERDOWN The cluster is down)錯誤。

四 環境要求

Redis3.0版本以上

要讓集群正常工作至少需要3個主節點，在這里我們要創建6個redis節點，其中三個為主節點，三個為從節點

五 集群搭建

5.1 安裝ruby

apt-get install ruby
apt-get install rubygems

安裝ruby redis 擴展包：

gem install redis

5.2. 安裝redis server：

apt-get install redis-server

5.3. 創建redis-cluster文件夾

mkdir /usr/local/redis-cluster

5.4. 將你的redis.conf配置文件分別復制到redis-cluster這個文件夾中

更改如下

port  6379                  #端口6379        
bind 本機ip                 #默認ip為172.20.0.2/3/4/5/6/7需要改為其他節點機器可訪問的ip 否則創建集群時無法訪問對應的端口，無法創建集群
daemonize    yes                       #redis后臺運行
pidfile  /var/run/redis_6379.pid #pidfile #文件對應6379
cluster-enabled  yes                    #開啟集群  把注釋#去掉
cluster-config-file  nodes_7000.conf   #集群的配置  配置文件首次啟動自動生成
cluster-node-timeout  15000         #請求超時  默認15秒，可自行設置
appendonly  yes              #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　
masterauth '86a1b907d54bf7010394bf316e183e67'
requirepass '86a1b907d54bf7010394bf316e183e67'  #設置密碼

5.5. 啟動redis服務

需要啟動6個服務

redis-server /usr/local/redis_cluster/redis.conf

5.6 創建集群

其中redis-trib.rb在你的redis安裝目錄/src下：

/usr/local/redis-cluster/redis-trib.rb create --replicas 1 172.20.0.2:6379 172.20.0.3:6379 172.20.0.4:6379 172.20.0.5:6379 172.20.0.6:6379 172.20.0.7:6379

可以看到創建集群成功了：（如圖：2,3,4為主，5,6,7為從）

5.7 設置redis集群密碼

如下圖，逐一設置redis密碼：

5.8 連接集群并測試

redis-cli -p 6379

六 集群擴容

6.1 添加主節

創建一個新節點（使用的配置文件與之前一樣）并啟動。

執行命令./redis-trib.rb add-node 172.20.0.8:6379 172.20.0.7:6379，將新節點添加到集群里

（腳本先檢查了集群狀態，后添加了節點，添加后節點是空節點，還需分配哈希槽，沒有哈希槽就沒有儲存功能）

6.2 為新節點分配哈希槽

./redis-trib.rb reshard 172.20.0.2:6379

注釋：

want to move (from 1 to 16384)? 1000（此處為想移動多少個哈希槽）

What is the receiving node ID?（為加入的新節點的id）

Source node #1:all（此處選擇all，全部使用并移動，表示從所有主節點中隨機轉移，湊夠1000個哈希槽

6.3 添加從節點slave

如上新建一個空節點并啟動

./redis-trib.rb add-node 172.20.0.9:6379 172.20.0.7:6379

連接上新節點，執行命令cluster replicate (任意一個master的ID)。

查看當前節點狀態：

執行命令cluster replicate (任意一個master的ID):

七 刪除節點

7.1 遷移slots

把節點擁有的slots全部遷移出去

./redis-trib.rb reshard 172.20.0.2:6379

7.2 刪除節點

redis-trib.rb del-node 172.20.0.2:6379 f113752f7763ceea613cb73018c043f8849edecf

7.3 沒有slots

如果沒有一個slots，可直接刪除

redis-trib.rb del-node 172.20.0.2:6379 9f5bc99dba963671bb5664f84eda304dc94b1fcb

（這個主節點被刪除之后,它之前擁有的從節點會自動成為其他主節點的從節點.）

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教。