2021年1月18日星期一

redis-集群（1）

目录
  • 一、集群简介
  • 二、Redis Cluster数据分区原理
    • 2.1 Hash分区方案
      • 2.1.1节点取余分区
      • 2.1.2一致性哈希
    • 2.2 Redis Cluster数据分区方案
  • 三、搭建集群
    • 3.1 准备节点
    • 3.2 创建集群
  • 四、节点通信原理
    • 4.1 Gossip消息
    • 4.2 通信节点选择

一、集群简介

Redis Cluster是redis3.0后正式推出的分布式解决方案。

之前介绍了复制和哨兵，解决了高可用问题，通过复制，读操作可以分发到多个节点（读实现了负载均衡），但是写操作依然只有一个节点，无法实现写操作的负载均衡，但是依然面临单机内存和并发的瓶颈。

集群就是用来解决写操作负载均衡的问题。其核心有两个作用

  1. 数据分片：这是集群最最核心的功能，通过发片，突破了redis的单机内存限制，数据发布到多个节点，每个节点都可以提供读写操作，响应能力也得到提高
  2. 高可用：这个和复制-哨兵一样，每个节点都由主从组成，同时实现了自动故障转移。

二、Redis Cluster数据分区原理

2.1 Hash分区方案

常见哈希分区主要两种：

  1. 节点取余分区
  2. 一致性哈希（distributed hash table）

2.1.1节点取余分区

\[hashCode=hash(key) mod N\]

N为节点的数量。这种方案优点是简单，缺点是当有节点数量变化（扩容or缩容），数据节点映射关系需要重新计算，会导致数据重新迁移。

一般用于节点可以预估不变的场景，比如数据库分表分库，比如订单库可以分64个，orderId mod 64可得到这个订单数据应该写入那个库。

2.1.2一致性哈希

实现思路是为系统中的每一个节点分配一个token，范围一般为0~2的32次方，这个这些token构成一个哈希环。

当有数据写入时，先根据key计算出哈希值X，然后顺时针寻找到第一个大于X的token的节点，然后把值存入该节点即可。下图中：

  1. A存入node1
  2. B存入node2
  3. 。。。

一致性哈希分区中，如果增加或者减少节点，只影响节点改节点相邻的节点，其他节点毫无影响，比如在node1之前增加一个节点，只会使得原来存储到node1的数据一部分数据（比如A）转移到新节点，其他节点毫无影响。

一致性哈希的最大问题是，当节点比较少时，新增或者删除节点会导致数据的分配严重不均衡。 在上图中，如果删除node1和node2：

  1. 原有node1和node2存储的数据会全部迁移到node3，导致node3的数据从原来的的1/6变成了1/2
  2. node（4，5，6）三个节点总共存储1/2，严重不平衡。

虚拟槽分区是对一致性哈希的改进，用来解决负载均衡的问题。

2.2 Redis Cluster数据分区方案

Redis Cluster采用虚拟槽分区，槽是介于实际节点和数据之间的虚拟概念，每个节点对应一定范围的槽，每个槽包含一定范围内的哈希值，使用了虚拟槽分区后，数据的映射关系从hash-》节点变成了hash-》槽-》节点。

Redis Cluster槽的范围是16384（016383）。所有键基于哈希函数映射到016383整数槽内(CRC取模)，计算公式：

\[slot = CRC(key) mod 16383\]

示意图如下：

使用虚拟槽分区后，节点的变动对系统影响较小，比如上图中，删除node1，只需要对0-3276的槽重新分配即可。

三、搭建集群

搭建一个三主三从的集群，在同一台机器上，由端口号进行区分。

  1. 三主：7000，7001，7002
  2. 三从：8000，8001，8002

3.1 准备节点

7000节点配置如下：

#端口号port 7000#开启集群模式cluster-enabled yes#节点超时时间（毫秒）cluster-node-timeout 15000#集群内部配置文件cluster-config-file "nodes-7000.conf"logfile "log-7000.log"protected-mode nodaemonize yes

依次配置7001，7002，8000，8001，8002。

启动6个节点：

src/redis-server redis-7000.conf src/redis-server redis-7001.conf src/redis-server redis-7002.conf src/redis-server redis-8000.conf src/redis-server redis-8001.conf src/redis-server redis-8002.conf

配置相关说明

上面的配置中cluster-enabled 和cluster-config-file是集群相关的配置。

cluster-enabled 设置为yes，代表集群模式，默认redis是单机模式。

cluster-config-file是集群特有的配置文件，在redis启动的时候如果发现没有配置文件会自动创建一个配置文件。

打开配置文件，如果集群配置文件已经存在，则直接读取。集群配置文件由redis自动维护，无需手动修改。

7000首次启动后生成的集群配置文件如下：

877e9d061f80cea70285e823cbc4246041752149 :7000@17000 myself,master - 0 0 0 connected 5474 5798 11459 11958 12706 13735vars currentEpoch 0 lastVoteEpoch 0

记录了集群的初始状态，最重要的是第一个40位的16进制字符串，是集群的节点ID，节点ID在集群初始化的时候只创建一次，重启后会加载集群配置文件进行重用。集群节点ID不用于redis的运行id，运行id每次重启后都会变好。

3.2 创建集群

直接使用redis-cli命令来创建（redis5.0之后）

输入命令

redis-cli --cluster create 192.168.118.129:7000 192.168.118.129:7001 192.168.118.129:7002 192.168.118.129:8000 192.168.118.129:8001 192.168.118.129:8002 --cluster-replicas 1

--cluster-replicas 1表示每一个主节点分配一个从节点。

（上面的warning是因为我把所有节点部署到了同一个机器）

输入yes继续

集群配置成功，16384个slots分配完毕。

整体结构

Master[0] -> Slots 0 - 5460Master[1] -> Slots 5461 - 10922Master[2] -> Slots 10923 - 16383Adding replica 192.168.118.129:8001 to 192.168.118.129:7000Adding replica 192.168.118.129:8002 to 192.168.118.129:7001Adding replica 192.168.118.129:8000 to 192.168.118.129:7002

用上面命令创建的集群是无法手工指定主从关系的。

四、节点通信原理

4.1 Gossip消息

Redis采用Gossip协议（P2P），Gossip协议的工作原理就是节点之间不断通信交换信息，一段时间后所有节点都会知道集群的完整信息，类似于流言传播，类似于下图：

通信过程：

  1. cluster中的每一个节点都会单独开辟一个TCP通道，用于节点之间的彼此通信，通信端口号是在节点基础端口号上加10000，比如原端口号是7000，则对应的Gossip端口号则为17000。
  2. 每个节点在固定周期内通过特定规则选择几个节点发送ping消息
  3. 接收到ping消息的节点用pong消息作为响应。

Gossip消息类型：

Gossip消息解析流程：

meet

4.2 通信节点选择

上面的Gossip消息中，ping/pong消息都需要携带当前节点的信息和部分其他节点的信息（状态等），这些频繁的信息交换势必会加重带宽和计算负担。依次每次选择多少个节点进行通信（每次要发给多少个节点）变得特别重要：

  1. 太多：交换成本高
  2. 太少：消息交换频率低，影响故障判断，节点发现的速度。

具体选择：

选择发送节点

5个节点是指集群内随机找5个节点，取其中一个其他节点发送ping。

10次：针对上一步选出来的一个节点每100毫秒扫描一次本地的节点列表，如果发现节点最近一次接受pong消息的时间大于cluster-node-timeout/2 ，则需要给该节点发送ping消息，总节点数量：

  • num(node.pong_received > cluster_node_timeout/2)

ping消息数量

自身节点数量+1/10其他节点的数量

由此可见，节点的cluster_node_timeout和整个集群节点的数量都会影响集群节点之间的信息交换。









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