Redis集群介绍

Redis 集群是一个提供在多个Redis间节点间共享数据的程序集。

Redis集群并不支持处理多个keys的命令,因为这需要在不同的节点间移动数据,从而达不到像Redis那样的性能,在高负载的情况下可能会导致不可预料的错误.

Redis 集群通过分区来提供一定程度的可用性,在实际环境中当某个节点宕机或者不可达的情况下继续处理命令. Redis 集群的优势:

  • 自动分割数据到不同的节点上。
  • 整个集群的部分节点失败或者不可达的情况下能够继续处理命令。


Redis 集群的数据分片

Redis 集群没有使用一致性hash, 而是引入了 哈希槽的概念.

Redis 集群有16384个哈希槽,每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽.集群的每个节点负责一部分hash槽,举个例子,比如当前集群有3个节点,那么:

  • 节点 A 包含 0 到 5500号哈希槽.
  • 节点 B 包含5501 到 11000 号哈希槽.
  • 节点 C 包含11001 到 16384号哈希槽.

这种结构很容易添加或者删除节点. 比如如果我想新添加个节点D, 我需要从节点 A, B, C中得部分槽到D上. 如果我想移除节点A,需要将A中的槽移到B和C节点上,然后将没有任何槽的A节点从集群中移除即可. 由于从一个节点将哈希槽移动到另一个节点并不会停止服务,所以无论添加删除或者改变某个节点的哈希槽的数量都不会造成集群不可用的状态.



Redis 集群的主从复制模型

为了使在部分节点失败或者大部分节点无法通信的情况下集群仍然可用，所以集群使用了主从复制模型,每个节点都会有N-1个复制品.

在我们例子中具有A，B，C三个节点的集群,在没有复制模型的情况下,如果节点B失败了，那么整个集群就会以为缺少5501-11000这个范围的槽而不可用.

然而如果在集群创建的时候（或者过一段时间）我们为每个节点添加一个从节点A1，B1，C1,那么整个集群便有三个master节点和三个slave节点组成，这样在节点B失败后，集群便会选举B1为新的主节点继续服务，整个集群便不会因为槽找不到而不可用了

不过当B和B1 都失败后，集群是不可用的.



Redis 一致性保证

Redis 并不能保证数据的强一致性. 这意味这在实际中集群在特定的条件下可能会丢失写操作.

第一个原因是因为集群是用了异步复制. 写操作过程:

  • 客户端向主节点B写入一条命令.
  • 主节点B向客户端回复命令状态.
  • 主节点将写操作复制给他得从节点 B1, B2 和 B3.

主节点对命令的复制工作发生在返回命令回复之后， 因为如果每次处理命令请求都需要等待复制操作完成的话， 那么主节点处理命令请求的速度将极大地降低 —— 我们必须在性能和一致性之间做出权衡。 注意：Redis 集群可能会在将来提供同步写的方法。 Redis 集群另外一种可能会丢失命令的情况是集群出现了网络分区， 并且一个客户端与至少包括一个主节点在内的少数实例被孤立。

举个例子 假设集群包含 A 、 B 、 C 、 A1 、 B1 、 C1 六个节点， 其中 A 、B 、C 为主节点， A1 、B1 、C1 为A，B，C的从节点， 还有一个客户端 Z1 假设集群中发生网络分区，那么集群可能会分为两方，大部分的一方包含节点 A 、C 、A1 、B1 和 C1 ，小部分的一方则包含节点 B 和客户端 Z1 .

Z1仍然能够向主节点B中写入, 如果网络分区发生时间较短,那么集群将会继续正常运作,如果分区的时间足够让大部分的一方将B1选举为新的master，那么Z1写入B中得数据便丢失了.

注意， 在网络分裂出现期间， 客户端 Z1 可以向主节点 B 发送写命令的最大时间是有限制的， 这一时间限制称为节点超时时间（node timeout）， 是 Redis 集群的一个重要的配置选项：

 



集群在线重配置（live reconfiguration）-动态新增、删除节点数据一致性保障

Redis 集群支持在集群运行过程中添加或移除节点。实际上，添加或移除节点都被抽象为同一个操作，那就是把哈希槽从一个节点移到另一个节点。

  • 向集群添加一个新节点，就是把一个空节点加入到集群中并把某些哈希槽从已存在的节点移到新节点上。
  • 从集群中移除一个节点，就是把该节点上的哈希槽移到其他已存在的节点上。
  • 所以实现这个的核心是能把哈希槽移来移去。从实际角度看，哈希槽就只是一堆键，所以 Redis 集群在重组碎片（reshard）时做的就是把键从一个节点移到另一个节点。

为了理解这是怎么工作的，我们需要介绍 CLUSTER 的子命令，这些命令是用来操作 Redis 集群节点上的哈希槽转换表（slots translation table）。

以下是可用的子命令：

  • CLUSTER ADDSLOTS slot1 [slot2] … [slotN]
  • CLUSTER DELSLOTS slot1 [slot2] … [slotN]
  • CLUSTER SETSLOT slot NODE node
  • CLUSTER SETSLOT slot MIGRATING node
  • CLUSTER SETSLOT slot IMPORTING node
  • 头两个命令，ADDSLOTS 和 DELSLOTS，就是简单地用来给一个 Redis 节点指派（assign）或移除哈希槽。 在哈希槽被指派后，节点会将这个消息通过 gossip 协议向整个集群传播。ADDSLOTS 命令通常是用于在一个集群刚建立的时候快速给所有节点指派哈希槽。

当 SETSLOT 子命令使用 NODE 形式的时候，用来给指定 ID 的节点指派哈希槽。 除此之外哈希槽能通过两个特殊的状态来设定，MIGRATING 和 IMPORTING：

  • 当一个槽被设置为 MIGRATING，原来持有该哈希槽的节点仍会接受所有跟这个哈希槽有关的请求，但只有当查询的键还存在原节点时，原节点会处理该请求，否则这个查询会通过一个 -ASK 重定向（-ASK redirection）转发到迁移的目标节点。
  • 当一个槽被设置为 IMPORTING，只有在接受到 ASKING 命令之后节点才会接受所有查询这个哈希槽的请求。如果客户端一直没有发送 ASKING 命令，那么查询都会通过 -MOVED 重定向错误转发到真正处理这个哈希槽的节点那里。

这么讲可能显得有点奇怪，现在我们用实例让它更清晰些。假设我们有两个 Redis 节点，称为 A 和 B。我们想要把哈希槽 8 从 节点A 移到 节点B，所以我们发送了这样的命令：

  • 我们向 节点B 发送：CLUSTER SETSLOT 8 IMPORTING A
  • 我们向 节点A 发送：CLUSTER SETSLOT 8 MIGRATING B

其他所有节点在每次被询问到的一个键是属于哈希槽 8 的时候，都会把客户端引向节点”A”。具体如下：

  • 所有关于已存在的键的查询都由节点”A”处理。
  • 所有关于不存在于节点 A 的键都由节点”B”处理。

这种方式让我们可以不用在节点 A 中创建新的键。同时，一个叫做 redis-trib 的特殊客户端，它也是 Redis 集群的配置程序（configuration utility），会确保把已存在的键从节点 A 移到节点 B。这通过以下命令实现：

CLUSTER GETKEYSINSLOT slot count

上面这个命令会返回指定的哈希槽中 count 个键。对于每个返回的键，redis-trib 向节点 A 发送一个 MIGRATE 命令，这样会以原子性的方式（在移动键的过程中两个节点都被锁住，以免出现竞争状况）把指定的键从节点 A 移到节点 B。以下是 MIGRATE 的工作原理：

MIGRATE target_host target_port key target_database id timeout

执行 MIGRATE 命令的节点会连接到目标节点，把序列化后的 key 发送过去，一旦收到 OK 回复就会从它自己的数据集中删除老的 key。所以从一个外部客户端看来，在某个时间点，一个 key 要不就存在于节点 A 中要不就存在于节点 B 中。

在 Redis 集群中，不需要指定一个除了 0 号之外的数据库，但 MIGRATE 命令能用于其他跟 Redis 集群无关的的任务，所以它是一个足够通用的命令。MIGRATE 命令被优化了，使得即使在移动像长列表这样的复杂键仍然能做到快速。 不过当在重配置一个拥有很多键且键的数据量都很大的集群的时候，这个过程就并不那么好了，对于使用数据库的应用程序来说就会有延时这个限制。

参数文档：http://www.redis.cn/topics/cluster-spec.html、http://www.redis.cn/topics/cluster-tutorial.html