Redis (十一) cluster分片集群搭建

Redis3.0版本之前，可以通过Redis Sentinel（哨兵）来实现高可用 ( HA )，从3.0版本之后，官方推出了Redis Cluster，它的主要用途是实现数据分片(Data Sharding)，不过同样可以实现HA，是官方当前推荐的方案。

       在Redis Sentinel模式中，每个节点需要保存全量数据，冗余比较多，而在Redis Cluster模式中，每个分片只需要保存一部分的数据，对于内存数据库来说，还是要尽量的减少冗余。在数据量太大的情况下，故障恢复需要较长时间，另外，内存实在是太贵了。。。

       Redis Cluster的具体实现细节是采用了Hash槽的概念，集群会预先分配16384个槽，并将这些槽分配给具体的服务节点，通过对Key进行CRC16(key)%16384运算得到对应的槽是哪一个，从而将读写操作转发到该槽所对应的服务节点。当有新的节点加入或者移除的时候，再来迁移这些槽以及其对应的数据。在这种设计之下，我们就可以很方便的进行动态扩容或缩容，个人也比较倾向于这种集群模式。

　　一个Redis Cluster由多个Redis节点构成。不同节点组服务的数据没有交集，也就是每一个节点组对应数据的一个分片。节点组内部分为主备两类节点，对应master和slave节点。两者数据准实时一致，通过异步化的主备复制机制来保证。一个节点组有且只有一个master节点，同时可以有0到多个slave节点，在这个节点组中只有master节点，同时可以有0到多个slave节点，在这个节点组中只有master节点对用户提供写服务，读服务可以由master或者slave提供。

　　redis-cluster是基于gossip协议实现的无中心化节点的集群，因为去中心化的架构不存在统一的配置中心，各个节点对整个集群状态的认知来自于节点之间的信息交互。在Redis Cluster，这个信息交互是通过Redis Cluster Bus来完成的。

搭建集群:

       Redis Cluster集群至少需要三个master节点，我将以3台主机的方式部署3个主节点及3个从节点。

1. 首先，在redis安装目录 /usr/local/redis/etc/下新建目录redisCluster，并在该目录下复制2个配置文件分别为6398，6399端口个，如下图：

 

　　具体配置拿6398做例子，其余均按照该配置进行修改：

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daemonize yes #开启后台运行
port 6398 #工作端口
protected-mode no
dir /usr/local/redis-cluster/6398/ #指定工作目录，rdb,aof持久化文件将会放在该目录下，不同实例一定要配置不同的工作目录
cluster-enabled yes #启用集群模式
cluster-config-file nodes-6398.conf #生成的集群配置文件名称，集群搭建成功后会自动生成，在工作目录下
cluster-node-timeout 5000 #节点宕机发现时间，可以理解为主节点宕机后从节点升级为主节点时间
appendonly yes #开启AOF模式
pidfile "/var/run/6398.pid" #pid file所在目录logfile "6398.log"

2.将 3 台主机共 6 个服务全部启动：

 3.由于创建集群需要用到redis-trib这个命令，它依赖Ruby和RubyGems，因此我们要先安装一下

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yum -y install ruby ruby-devel rubygems rpm-build
gem install redis

　　在这里可能会报如下错误：

 　　由于centos支持的ruby默认版本到2.0.0,因此需要安装RVM即Ruby的版本管理器：

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yum install curl
curl -L get.rvm.io | bash -s stable
source /usr/local/rvm/scripts/rvm
rvm install  2.4.0
rvm use  2.4.0
gem install redis

　　执行以上步骤完成 安装，其中第三步骤我遇到的问题可能是由于网速原因，在多次执行后才安装成功，会提示complete。

4.执行如下命令，完成 redis-cluster 集群配置，--replicas 1  这个1=主节点个数/从节点个数 。

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/mysoft/redis-4.0.8/src/redis-trib.rb  create --replicas 1  
192.168.254.136:6398 192.168.254.136:6399
192.168.254.137:6398 192.168.254.137:6399 
192.168.254.138:6398 192.168.254.138:6399

　　成功配置会显示如下信息：

　　如果遇到如下图的错误：

　　一直处于 waiting for the cluster to join ... 这种状态，需要开启redis集群总线端口，即redis服务节点的端口值+10000.将这些端口打开即可完成。

　　这里还会遇到另外一个问题,那就是 [ERR] Node 192.168.254.137:6398 is not empty.报出这种错误。

　　这个时候需要登录到每个节点，执行flushdb，然后删除每个节点的  .aof .rdb 以及对应的 nodes-6398.conf 。重启服务，这样子即可完成操作，然后重新分配。

　　如果是使用redis-trib.rb工具构建集群，集群构建完成前不要配置密码，集群构建完毕再通过config set + config rewrite命令逐个机器设置密码。如果对集群设置密码，那么requirepass和masterauth都需要设置，否则发生主从切换时，就会遇到授权问题，可以模拟并观察日志。各个节点的密码都必须一致，否则Redirected就会失败。

  1. config set masterauth abc 
  2. config set requirepass abc 
  3. config rewrite 
//增加节点的顺序是先增加Master主节点，然后在增加Slave从节点。
redis-trib.rb add-node ip:port //增加节点
redis-trib.rb reshard  ip:port   //重新分配槽
cluster replicate 71ecd970838e9b400a2a6a15cd30a94ab96203bf(主节点的ID)  //将节点设置为从节点
//删除的顺序是先删除Slave从节点，然后在删除Master主节点
redis-trib.rb del-node 192.168.127.130:7007  991ed242102aaa08873eb9404a18e0618a4e37bd（该节点ID）  // 删除节点

一致性哈希:

　　如果是希望数据分布相对均匀的话，我们首先可以考虑哈希后取模。例如，hash(key)%N，根据余数，决定映射到那一个节点。这种方式比较简单，属于静态的分片规则。但是一旦节点数量变化，新增或者减少，由于取模的 N 发生变化，数据需要重新分布。为了解决这个问题，我们又有了一致性哈希算法。

　　一致性哈希的原理：把所有的哈希值空间组织成一个虚拟的圆环（哈希环），整个空间按顺时针方向组织。因为是环形空间，0 和 2^32-1 是重叠的。假设我们有四台机器要哈希环来实现映射（分布数据），我们先根据机器的名称或者 IP 计算哈希值，然后分布到哈希环中（红色圆圈）。

　　现在有 4 条数据或者 4 个访问请求，对 key 计算后，得到哈希环中的位置（绿色圆圈）。沿哈希环顺时针找到的第一个 Node，就是数据存储的节点。

　　在这种情况下，新增了一个 Node5 节点，不影响数据的分布。

　　删除了一个节点 Node4，只影响相邻的一个节点。
　　一致性哈希解决了动态增减节点时，所有数据都需要重新分布的问题，它只会影响到下一个相邻的节点，对其他节点没有影响。但是这样的一致性哈希算法有一个缺点，因为节点不一定是均匀地分布的，特别是在节点数比较少的情况下，所以数据不能得到均匀分布。解决这个问题的办法是引入虚拟节点（Virtual Node）。比如：2 个节点，5 条数据，只有 1 条分布到 Node2，4 条分布到 Node1，不均匀。
　　Node1 设置了两个虚拟节点，Node2 也设置了两个虚拟节点（虚线圆圈）。这时候有 3 条数据分布到 Node1，2 条数据分布到 Node2。

HashTags：

　　通过分片手段，可以将数据合理的划分到不同的节点上，这本来是一件好事。但是有的时候，我们希望对相关联的业务以原子方式进行操作。举个简单的例子我们在单节点上执行MSET , 它是一个原子性的操作，所有给定的key会在同一时间内被设置，不可能出现某些指定的key被更新另一些指定的key没有改变的情况。但是在集群环境下，我们仍然可以执行MSET命令，但它的操作不在是原子操作，会存在某些指定的key被更新，而另外一些指定的key没有改变，原因是多个key可能会被分配到不同的机器上。

　　所以，这里就会存在一个矛盾点，及要求key尽可能的分散在不同机器，又要求某些相关联的key分配到相同机器。这个也是在面试的时候会容易被问到的内容。怎么解决呢？从前面的分析中我们了解到，分片其实就是一个hash的过程，对key做hash取模然后划分到不同的机器上。所以为了解决这个问题，我们需要考虑如何让相关联的key得到的hash值都相同呢？如果key全部相同是不现实的，所以怎么解决呢？在redis中引入了HashTag的概念，可以使得数据分布算法可以根据key的某一个部分进行计算，然后让相关的key落到同一个数据分片

　　举个简单的例子，加入对于用户的信息进行存储， user:user1:id、user:user1:name/ 那么通过hashtag的方式，user:{user1}:id、user:{user1}.name; 表示当一个key包含 {} 的时候，就不对整个key做hash，而仅对 {} 包括的字符串做hash。

重定向客户端：

　　Redis Cluster并不会代理查询，那么如果客户端访问了一个key并不存在的节点，这个节点是怎么处理的呢？比如我想获取key为msg的值，msg计算出来的槽编号为6383，当前节点正好不负责编号为6383的槽，那么就会返回客户端下面信息：

(error) MOVED 6383 192.168.254.137:6398

　　表示客户端想要的254槽由运行在IP为192.168.254.137，端口为6398的Master实例服务。如果根据key计算得出的槽恰好由当前节点负责，则当期节点会立即返回结果.

　　redis客户端给我们提供了一个命令解决该问题

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/mysoft/redis-4.0.8/src/redis-cli -h 192.168.254.138 -c -p 6398

　  执行 set 方法后会显示如下信息：

　　这里会帮我们重定向 指定的 槽点来完成数据的存储。

分片迁移：

　　在一个稳定的Redis cluster下，每一个slot对应的节点是确定的，但是在某些情况下，节点和分片对应的关系会发生变更

　　1. 新加入master节点

　　2. 某个节点宕机

　　也就是说当动态添加或减少node节点时，需要将16384个槽做个再分配，槽中的键值也要迁移。当然，这一过程，在目前实现中，还处于半自动状态，需要人工介入。新增一个主节点D，redis cluster的这种做法是从各个节点的前面各拿取一部分slot到D上。大致就会变成这样：节点A覆盖1365-5460，节点B覆盖6827-10922，节点C覆盖12288-16383，节点D覆盖0-1364,5461-6826,10923-12287

　　删除一个主节点先将节点的数据移动到其他节点上，然后才能执行删除

槽迁移的过程：

　　槽迁移的过程中有一个不稳定状态，这个不稳定状态会有一些规则，这些规则定义客户端的行为，从而使得RedisCluster不必宕机的情况下可以执行槽的迁移。下面这张图描述了我们迁移编号为1、2、3的槽的过程中，他们在MasterA节点和MasterB节点中的状态。

　　简单的工作流程：

　　1. 向MasterB发送状态变更命令，把Master B对应的slot状态设置为IMPORTING

　　2. 向MasterA发送状态变更命令，将Master对应的slot状态设置为MIGRATING

　　当MasterA的状态设置为MIGRANTING后，表示对应的slot正在迁移，为了保证slot数据的一致性，MasterA此时对于slot内部数据提供读写服务的行为和通常状态下是有区别的，

MIGRATING状态：

　　1. 如果客户端访问的Key还没有迁移出去，则正常处理这个key

　　2. 如果key已经迁移或者根本就不存在这个key，则回复客户端ASK信息让它跳转到MasterB去执行

IMPORTING状态

　　当MasterB的状态设置为IMPORTING后，表示对应的slot正在向MasterB迁入，及时Master仍然能对外提供该slot的读写服务，但和通常状态下也是有区别的

　　1. 当来自客户端的正常访问不是从ASK跳转过来的，说明客户端还不知道迁移正在进行，很有可能操作了一个目前还没迁移完成的并且还存在于MasterA上的key，如果此时这个key在A上已经被修改了，那么B和A的修改则会发生冲突。所以对于MasterB上的slot上的所有非ASK跳转过来的操作，MasterB都不会处理，而是通过MOVED命令让客户端跳转到MasterA上去执行这样的状态控制保证了同一个key在迁移之前总是在源节点上执行，迁移后总是在目标节点上执行，防止出现两边同时写导致的冲突问题。而且迁移过程中新增的key一定会在目标节点上执行，源节点也不会新增key，使得整个迁移过程既能对外正常提供服务，又能在一定的时间点完成slot的迁移。

总结 ：

优势

  • 无中心架构。
  • 数据按照 slot 存储分布在多个节点，节点间数据共享，可动态调整数据分布。
  • 可扩展性，可线性扩展到 1000 个节点（官方推荐不超过 1000 个），节点可动态添加或删除。
  • 高可用性，部分节点不可用时，集群仍可用。通过增加 Slave 做 standby 数据副本，能够实现故障自动 failover，节点之间通过 gossip 协议交换状态信息，用投票机制完成 Slave 到 Master 的角色提升。
  • 降低运维成本，提高系统的扩展性和可用性。

不足

  • Client 实现复杂，驱动要求实现 Smart Client，缓存 slots mapping 信息并及时更新，提高了开发难度，客户端的不成熟影响业务的稳定性。
  • 节点会因为某些原因发生阻塞（阻塞时间大于 clutser-node-timeout），被判断下线，这种 failover 是没有必要的。
  • 数据通过异步复制，不保证数据的强一致性。
  • 多个业务使用同一套集群时，无法根据统计区分冷热数据，资源隔离性较差，容易出现相互影响的情况。
posted @ 2020-10-09 03:25  跃小云  阅读(492)  评论(0)  编辑  收藏  举报