Redis集群方案应该怎么做

方案1：Redis官方集群方案 Redis Cluster

Redis Cluster是一种服务器sharding分片技术。Redis Cluster集群如何搭建请参考我的另一篇博文：http://www.cnblogs.com/xckk/p/6144447.html 

Redis3.0版本开始正式提供，解决了多Redis实例协同服务问题，时间较晚，目前能证明在大规模生产环境下成功的案例还不是很多，需要时间检验。

Redis Cluster中，Sharding采用slot(槽)的概念，一共分成16384个槽。对于每个进入Redis的键值对，根据key进行散列，分配到这16384个slot中的某一个中。使用的hash算法也比较简单，CRC16后16384取模。

Redis Cluster中的每个node负责分摊这16384个slot中的一部分，也就是说，每个slot都对应一个node负责处理。例如三台node组成的cluster，分配的slot分别是0-5460,5461-10922,10923-16383，

M: 434e5ee5cf198626e32d71a4aee27bc4058b4e45 127.0.0.1:7000

slots:0-5460 (5461 slots) master
M: 048a0c9631c87e5ecc97a4ce5834d935f2f938b6 127.0.0.1:7001

slots:5461-10922 (5462 slots) master

M: 04ae4184b2853afb8122d15b5b2efa471d4ca251 127.0.0.1:7002

slots:10923-16383 (5461 slots) master

 

添加或减少节点时？

当动态添加或减少node节点时，需要将16384个slot重新分配，因此槽中的键值也要迁移。这一过程，目前处于半自动状态，需要人工介入。

 

节点发生故障时

如果某个node发生故障，那它负责的slots也就失效，整个Redis Cluster将不能工作。因此官方推荐的方案是将node都配置成主从结构，即一个master主节点，挂n个slave从节点。

这非常类似Redis Sharding场景下服务器节点通过Sentinel(哨兵)监控架构主从结构，只是Redis Cluster本身提供了故障转移容错的能力。

 

通信端口

Redis Cluster的新节点识别能力、故障判断及故障转移能力是通过集群中的每个node和其它的nodes进行通信，这被称为集群总线(cluster bus)。

通信端口号一般是该node端口号加10000。如某node节点端口号是6379，那么它开放的通信端口是16379。nodes之间的通信采用特殊的二进制协议。

 

对客户端来说，整个cluster被看重是一个整体，客户端可以连接任意一个node进行操作，就像操作单一Redis实例一样，当客户端操作的key没有分配到该node上时，Redis会返回转向指令，指向正确的node。

如下。在127.0.0.1上部署了三台Redis实例，组成Redis cluster，端口号分别是7000,7001,7002。在端口号为7000的Redis node上设置<foo,hello>，foo对应的key值重定向到端口号为7002的node节点上。get foo命令时，也会重定向到7002上的node节点上去取数据，返回给客户端。

[root@centos1 create-cluster]# redis-cli -c -p 7000

127.0.0.1:7000> set foo hello

-> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002

OK

127.0.0.1:7000> get foo

-> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002

"hello"

 

方案2：Redis Sharding集群

Redis Sharding是一种客户端Sharding分片技术。

Redis Sharding可以说是Redis Cluster出来之前，业界普遍使用的多Redis实例集群方法。主要思想是采用哈希算法将Redis数据的key进行散列，通过hash函数，特定的key会映射到特定的Redis节点上。

这样，客户端就知道该向哪个Redis节点操作数据,需要说明的是，这是在客户端完成的。Sharding架构如图所示:

 

java redis客户端jedis，已支持Redis Sharding功能，即ShardedJedis以及结合缓存池的ShardedJedisPool。Jedis的Redis Sharding实现具有如下特点:

1、采用一致性哈希算法(consistent hashing)

将key和节点name同时哈希，然后进行映射匹配，采用的算法是MURMUR_HASH。一致性哈希主要原因是当增加或减少节点时，不会产生由于重新匹配造成的rehashing。一致性哈希只影响相邻节点key分配，影响量小。更多一致性哈希算法介绍，可以参考：http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/23397179/

2、虚拟节点

ShardedJedis会对每个Redis节点，根据名字虚拟化出160个虚拟节点进行散列。用虚拟节点做映射匹配，可以在增加或减少Redis节点时，key在各Redis节点移动更分配更均匀，而不是只有相邻节点受影响。如图，Redis节点1虚拟化成NODE1-1和NODE1-2,散列中哈希环上。这样当object1、object2散列时，选取最近节点NODE1-1和NODE1-2,而NODE1-1和NODE1-2又是NODE节点的虚拟节点，即实际存储在NODE节点上。

增加虚拟节点，可以保证平衡性，即每台Redis机器，存储的数据都差不多，而不是一台机器存储的数据较多，其它的少。

3、ShardedJedis支持keyTagPattern模式

抽取key的一部分keyTag做sharding，这样通过合理命名key,可以将一组相关联的key放入同一Redis节点，避免跨节点访问。即客户端将相同规则的key值，指定存储在同一Redis节点上。

 

添加或减少节点时？

Redis Sharding采用客户端Sharding方式，服务端的Redis还是一个个相对独立的Redis实例节点。同时，我们也不需要增加额外的中间处理组件，这是一种非常轻量、灵活的Redis多实例集群方案。

当然，这种轻量灵活方式必然在集群其它能力方面做出妥协。比如扩容，当想要增加Redis节点时，尽管采用一致性哈希，那么不同的key分布到不同的Redis节点上。

当我们需要扩容时，增加机器到分片列表中。这时候客户端根据key算出来落到跟原来不同的机器上，这样如果要取某一个值，会出现取不到的情况。

对于这一种情况，一般的作法是取不到后，直接从后端数据库重新加载数据，但有些时候，击穿缓存层，直接访问数据库层，会对系统访问造成很大压力。

 

Redis作者给出了一个办法--presharding。

是一种在线扩容的方法，原理是将每一台物理机上，运行多个不同端口的Redis实例，假如三个物理机，每个物理机运行三个Redis实例，那么我们的分片列表中实际有9个Redis实例，当我们需要扩容时，增加一台物理机，步骤如下：

1、在新的物理机上运行Redis-server

2、该Redis-server从属于（slaveof）分片列表中的某一Redis-Server(假设叫RedisA)。

3、主从复制(Replication)完成后，将客户端分片列表中RedisA的IP和端口改为新物理机上Redis-Server的IP和端口。

4、停止RedisA

这样相当于将某一Redis-Server转移到了一台新机器上。但还是很依赖Redis本身的复制功能，如果主库快照数据文件过大，这个复制的过程也会很久，同时也会给主Redis带来压力，所以做这个拆分的过程最好选择业务访问低峰时段进行。

 

节点发生故障时

并不是只有增删Redis节点引起键值丢失问题，更大的障碍来自Redis节点突然宕机。

为不影响Redis性能，尽量不开启AOF和RDB文件保存功能，因此需架构Redis主备模式，主Redis宕机，备Redis留有备份，数据不会丢失。

Sharding演变成如下：

这样，我们的架构模式变成一个Redis节点切片包含一个主Redis和一个备Redis，主备共同组成一个Redis节点，通过自动故障转移，保证了节点的高可用性.

 

Redis Sentinel哨兵

提供了主备模式下Redis监控、故障转移等功能，达到系统的高可用性。

 

读写分离

高访问时量下，即使采用Sharding分片，一个单独节点还是承担了很大的访问压力，这时我们还需要进一步分解。

通常情况下，读常常是写的数倍，这时我们可以将读写分离，读提供更多的实例数。利用主从模式实现读写分离，主负责写，从负责只读，同时一主挂多个从。在Redis Sentinel监控下，还可以保障节点故障的自动监测。

 

方案3：利用代理中间件实现大规模Redis集群

上面分别介绍了基于客户端Sharding的Redis Sharding和基于服务端sharding的Redis Cluster。

客户端Sharding技术

优势：服务端的Redis实例彼此独立，相互无关联，非常容易线性扩展，系统灵活性很强。

不足：1、由于sharding处理放到客户端，规模扩大时给运维带来挑战。

2、服务端Redis实例群拓扑结构有变化时，每个客户端都需要更新调整。

3、连接不能共享，当应用规模增大时，资源浪费制约优化。

服务端Sharding技术

优势：服务端Redis集群拓扑结构变化时，客户端不需要感知，客户端像使用单Redis服务器一样使用Redis Cluster，运维管理也比较方便。

不足：Redis Cluster正式版推出时间不长，系统稳定性、性能等需要时间检验，尤其中大规模使用场景。

 

能不能结合二者优势?既能使服务端各实例彼此独立，支持线性可伸缩，同时sharding又能集中处理，方便统一管理？

 

中间件sharding分片技术

twemproxy就是一种中间件sharding分片的技术，处于客户端和服务器的中间，将客户端发来的请求，进行一定的处理后（如sharding），再转发给后端真正的Redis服务器。

也就是说，客户端不直接访问Redis服务器，而是通过twemproxy代理中间件间接访问。

 

tweproxy中间件的内部处理是无状态的，起源于twitter，不仅支持redis，同时支持memcached。

使用了中间件，twemproxy可以通过共享与后端系统的连接，降低客户端直接连接后端服务器的连接数量。同时，它也提供sharding功能，支持后端服务器集群水平扩展。统一运维管理也带来了方便。

当然，由于使用了中间件，相比客户端直辖服务器方式，性能上肯定会有损耗，大约降低20%左右。

另一个知名度较高的实现是 Codis，由豌豆荚的团队开发。感兴趣的读者可以搜索相关资料。

 

总结：几种方案如何选择。

上面大致讲了三种集群方案，主要根据sharding在哪个环节进行区分

1、服务端实现分片

官方的 Redis Cluster 实现就是采用这种方式，在这种方案下，客户端请求到达错误节点后不会被错误节点代理执行，而是被错误节点重定向至正确的节点。

2、客户端实现分片

分区的逻辑在客户端实现，由客户端自己选择请求到哪个节点。方案可参考一致性哈希，基于 Memcached 的 cache 集群一般是这么做，而这种方案通常适用于用户对客户端的行为有完全控制能力的场景。

3、中间件实现分片

有名的例子是 Twitter 的 Twemproxy，Redis 作者对其评价较高。一篇较旧的博客如下：Twemproxy, a Redis proxy from Twitter

另一个知名度较高的实现是 Codis，由豌豆荚的团队开发，作者 @go routine 刘老师已经在前面的答案中推荐过了。

 

那么，如何选择呢？

显然在客户端做分片是自定义能力最高的。

优势在于，在不需要客户端服务端协作，以及没有中间层的条件下，每个请求的 roundtrip 时间是相对更小的，搭配良好的客户端分片策略，可以让整个集群获得很好的扩展性。

当然劣势也很明显，用户需要自己对付 Redis 节点宕机的情况，需要采用更复杂的策略来做 replica，以及需要保证每个客户端看到的集群“视图”是一致的。

 

中间件的方案对客户端实现的要求是最低的，客户端只要支持基本的 Redis 通信协议即可，至于扩容、多副本、主从切换等机制客户端都不必操心，因此这种方案也很适合用来做“缓存服务”。

 

官方推出的协作方案也完整地支持了分片和多副本，相对于各种 proxy，这种方案假设了客户端实现是可以与服务端“协作”的，事实上主流语言的 SDK 都已经支持了。

所以，对于大部分使用场景来说，官方方案和代理方案都够用了，其实没必要太纠结谁更胜一筹，每种方案都有很多靠谱的公司在用。

 

此文主要参考了以下文章：

https://www.zhihu.com/question/21419897

http://blog.csdn.net/freebird_lb/article/details/7778999

 

秀才坤坤出品

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