在前幾年，redis 如果要搞幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)一部分的數(shù)據(jù)，得借助一些中間件來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如說(shuō)有 codis，或者 twemproxy，都有。有一些 redis 中間件，你讀寫 redis 中間件，redis 中間件負(fù)責(zé)將你的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在多臺(tái)機(jī)器上的 redis 實(shí)例中。

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這兩年，redis 不斷在發(fā)展，redis 也不斷有新的版本，現(xiàn)在的 redis 集群模式，可以做到在多臺(tái)機(jī)器上，部署多個(gè) redis 實(shí)例，每個(gè)實(shí)例存儲(chǔ)一部分的數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè) redis 主實(shí)例可以掛 redis 從實(shí)例，自動(dòng)確保說(shuō)，如果 redis 主實(shí)例掛了，會(huì)自動(dòng)切換到 redis 從實(shí)例上來(lái)。

現(xiàn)在 redis 的新版本，大家都是用 redis cluster 的，也就是 redis 原生支持的 redis 集群模式，那么面試官肯定會(huì)就 redis cluster 對(duì)你來(lái)個(gè)幾連炮。要是你沒用過(guò) redis cluster，正常，以前很多人用 codis 之類的客戶端來(lái)支持集群，但是起碼你得研究一下 redis cluster 吧。

如果你的數(shù)據(jù)量很少，主要是承載高并發(fā)高性能的場(chǎng)景，比如你的緩存一般就幾個(gè) G，單機(jī)就足夠了，可以使用 replication，一個(gè) master 多個(gè) slaves，要幾個(gè) slave 跟你要求的讀吞吐量有關(guān)，然后自己搭建一個(gè) sentinel 集群去保證 redis 主從架構(gòu)的高可用性。

redis cluster，主要是針對(duì)海量數(shù)據(jù)+高并發(fā)+高可用的場(chǎng)景。redis cluster 支撐 N 個(gè) redis master node，每個(gè) master node 都可以掛載多個(gè) slave node。這樣整個(gè) redis 就可以橫向擴(kuò)容了。如果你要支撐更大數(shù)據(jù)量的緩存，那就橫向擴(kuò)容更多的 master 節(jié)點(diǎn)，每個(gè) master 節(jié)點(diǎn)就能存放更多的數(shù)據(jù)了。

redis cluster 介紹

• 自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，每個(gè) master 上放一部分?jǐn)?shù)據(jù)
• 提供內(nèi)置的高可用支持，部分 master 不可用時(shí)，還是可以繼續(xù)工作的

在 redis cluster 架構(gòu)下，每個(gè) redis 要放開兩個(gè)端口號(hào)，比如一個(gè)是 6379，另外一個(gè)就是 加1w 的端口號(hào)，比如 16379。

16379 端口號(hào)是用來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間通信的，也就是 cluster bus 的東西，cluster bus 的通信，用來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)、配置更新、故障轉(zhuǎn)移授權(quán)。cluster bus 用了另外一種二進(jìn)制的協(xié)議，gossip 協(xié)議，用于節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換，占用更少的網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)間的內(nèi)部通信機(jī)制

基本通信原理

集群元數(shù)據(jù)的維護(hù)有兩種方式：集中式、Gossip 協(xié)議。redis cluster 節(jié)點(diǎn)間采用 gossip 協(xié)議進(jìn)行通信。

集中式是將集群元數(shù)據(jù)(節(jié)點(diǎn)信息、故障等等)幾種存儲(chǔ)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上。集中式元數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)的一個(gè)典型代表，就是大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的 storm。它是分布式的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算引擎，是集中式的元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，底層基于 zookeeper(分布式協(xié)調(diào)的中間件)對(duì)所有元數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)維護(hù)。

 

redis 維護(hù)集群元數(shù)據(jù)采用另一個(gè)方式， gossip 協(xié)議，所有節(jié)點(diǎn)都持有一份元數(shù)據(jù)，不同的節(jié)點(diǎn)如果出現(xiàn)了元數(shù)據(jù)的變更，就不斷將元數(shù)據(jù)發(fā)送給其它的節(jié)點(diǎn)，讓其它節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行元數(shù)據(jù)的變更。 

 

集中式的好處在于，元數(shù)據(jù)的讀取和更新，時(shí)效性非常好，一旦元數(shù)據(jù)出現(xiàn)了變更，就立即更新到集中式的存儲(chǔ)中，其它節(jié)點(diǎn)讀取的時(shí)候就可以感知到;不好在于，所有的元數(shù)據(jù)的更新壓力全部集中在一個(gè)地方，可能會(huì)導(dǎo)致元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有壓力。

gossip 好處在于，元數(shù)據(jù)的更新比較分散，不是集中在一個(gè)地方，更新請(qǐng)求會(huì)陸陸續(xù)續(xù)打到所有節(jié)點(diǎn)上去更新，降低了壓力;不好在于，元數(shù)據(jù)的更新有延時(shí)，可能導(dǎo)致集群中的一些操作會(huì)有一些滯后。

• 10000 端口：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)專門用于節(jié)點(diǎn)間通信的端口，就是自己提供服務(wù)的端口號(hào)+10000，比如 7001，那么用于節(jié)點(diǎn)間通信的就是 17001 端口。每個(gè)節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間都會(huì)往另外幾個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ping 消息，同時(shí)其它幾個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到 ping 之后返回 pong。
• 交換的信息：信息包括故障信息，節(jié)點(diǎn)的增加和刪除，hash slot 信息等等。

gossip 協(xié)議

gossip 協(xié)議包含多種消息，包含 ping,pong,meet,fail 等等。

• meet：某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 meet 給新加入的節(jié)點(diǎn)，讓新節(jié)點(diǎn)加入集群中，然后新節(jié)點(diǎn)就會(huì)開始與其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

redis-trib.rbadd-node

其實(shí)內(nèi)部就是發(fā)送了一個(gè) gossip meet 消息給新加入的節(jié)點(diǎn)，通知那個(gè)節(jié)點(diǎn)去加入我們的集群。

• ping：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)頻繁給其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ping，其中包含自己的狀態(tài)還有自己維護(hù)的集群元數(shù)據(jù)，互相通過(guò) ping 交換元數(shù)據(jù)。
• pong：返回 ping 和 meeet，包含自己的狀態(tài)和其它信息，也用于信息廣播和更新。
• fail：某個(gè)節(jié)點(diǎn)判斷另一個(gè)節(jié)點(diǎn) fail 之后，就發(fā)送 fail 給其它節(jié)點(diǎn)，通知其它節(jié)點(diǎn)說(shuō)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)啦。

ping 消息深入

ping 時(shí)要攜帶一些元數(shù)據(jù)，如果很頻繁，可能會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒會(huì)執(zhí)行 10 次 ping，每次會(huì)選擇 5 個(gè)最久沒有通信的其它節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)通信延時(shí)達(dá)到了 cluster_node_timeout / 2，那么立即發(fā)送 ping，避免數(shù)據(jù)交換延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，落后的時(shí)間太長(zhǎng)了。比如說(shuō)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都 10 分鐘沒有交換數(shù)據(jù)了，那么整個(gè)集群處于嚴(yán)重的元數(shù)據(jù)不一致的情況，就會(huì)有問題。所以 cluster_node_timeout 可以調(diào)節(jié)，如果調(diào)得比較大，那么會(huì)降低 ping 的頻率。

每次 ping，會(huì)帶上自己節(jié)點(diǎn)的信息，還有就是帶上 1/10 其它節(jié)點(diǎn)的信息，發(fā)送出去，進(jìn)行交換。至少包含 3 個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的信息，最多包含 總節(jié)點(diǎn)數(shù)減 2 個(gè)其它節(jié)點(diǎn)的信息。

分布式尋址算法

• hash 算法(大量緩存重建)
• 一致性 hash 算法(自動(dòng)緩存遷移)+ 虛擬節(jié)點(diǎn)(自動(dòng)負(fù)載均衡)
• redis cluster 的 hash slot 算法

hash 算法

來(lái)了一個(gè) key，首先計(jì)算 hash 值，然后對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)取模。然后打在不同的 master 節(jié)點(diǎn)上。一旦某一個(gè) master 節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，所有請(qǐng)求過(guò)來(lái)，都會(huì)基于最新的剩余 master 節(jié)點(diǎn)數(shù)去取模，嘗試去取數(shù)據(jù)。這會(huì)導(dǎo)致大部分的請(qǐng)求過(guò)來(lái)，全部無(wú)法拿到有效的緩存，導(dǎo)致大量的流量涌入數(shù)據(jù)庫(kù)。 

 

一致性 hash 算法

一致性 hash 算法將整個(gè) hash 值空間組織成一個(gè)虛擬的圓環(huán)，整個(gè)空間按順時(shí)針方向組織，下一步將各個(gè) master 節(jié)點(diǎn)(使用服務(wù)器的 ip 或主機(jī)名)進(jìn)行 hash。這樣就能確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其哈希環(huán)上的位置。

來(lái)了一個(gè) key，首先計(jì)算 hash 值，并確定此數(shù)據(jù)在環(huán)上的位置，從此位置沿環(huán)順時(shí)針“行走”，遇到的第一個(gè) master 節(jié)點(diǎn)就是 key 所在位置。

在一致性哈希算法中，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛了，受影響的數(shù)據(jù)僅僅是此節(jié)點(diǎn)到環(huán)空間前一個(gè)節(jié)點(diǎn)(沿著逆時(shí)針方向行走遇到的第一個(gè)節(jié)點(diǎn))之間的數(shù)據(jù)，其它不受影響。增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)也同理。

燃鵝，一致性哈希算法在節(jié)點(diǎn)太少時(shí)，容易因?yàn)楣?jié)點(diǎn)分布不均勻而造成緩存熱點(diǎn)的問題。為了解決這種熱點(diǎn)問題，一致性 hash 算法引入了虛擬節(jié)點(diǎn)機(jī)制，即對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算多個(gè) hash，每個(gè)計(jì)算結(jié)果位置都放置一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的均勻分布，負(fù)載均衡。 

 

redis cluster 的 hash slot 算法

redis cluster 有固定的 16384 個(gè) hash slot，對(duì)每個(gè) key 計(jì)算 CRC16 值，然后對(duì) 16384 取模，可以獲取 key 對(duì)應(yīng)的 hash slot。

redis cluster 中每個(gè) master 都會(huì)持有部分 slot，比如有 3 個(gè) master，那么可能每個(gè) master 持有 5000 多個(gè) hash slot。hash slot 讓 node 的增加和移除很簡(jiǎn)單，增加一個(gè) master，就將其他 master 的 hash slot 移動(dòng)部分過(guò)去，減少一個(gè) master，就將它的 hash slot 移動(dòng)到其他 master 上去。移動(dòng) hash slot 的成本是非常低的?？蛻舳说? api，可以對(duì)指定的數(shù)據(jù)，讓他們走同一個(gè) hash slot，通過(guò) hash tag 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

任何一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，不影響的。因?yàn)?key 找的是 hash slot，不是機(jī)器。 

 

redis cluster 的高可用與主備切換原理

redis cluster 的高可用的原理，幾乎跟哨兵是類似的。

判斷節(jié)點(diǎn)宕機(jī)

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，那么就是 pfail，主觀宕機(jī)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)了，那么就是 fail，客觀宕機(jī)，跟哨兵的原理幾乎一樣，sdown，odown。

在 cluster-node-timeout 內(nèi)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)一直沒有返回 pong，那么就被認(rèn)為 pfail。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為某個(gè)節(jié)點(diǎn) pfail 了，那么會(huì)在 gossip ping 消息中，ping 給其他節(jié)點(diǎn)，如果超過(guò)半數(shù)的節(jié)點(diǎn)都認(rèn)為 pfail 了，那么就會(huì)變成 fail。

從節(jié)點(diǎn)過(guò)濾

對(duì)宕機(jī)的 master node，從其所有的 slave node 中，選擇一個(gè)切換成 master node。

檢查每個(gè) slave node 與 master node 斷開連接的時(shí)間，如果超過(guò)了 cluster-node-timeout * cluster-slave-validity-factor，那么就沒有資格切換成 master。

從節(jié)點(diǎn)選舉

每個(gè)從節(jié)點(diǎn)，都根據(jù)自己對(duì) master 復(fù)制數(shù)據(jù)的 offset，來(lái)設(shè)置一個(gè)選舉時(shí)間，offset 越大(復(fù)制數(shù)據(jù)越多)的從節(jié)點(diǎn)，選舉時(shí)間越靠前，優(yōu)先進(jìn)行選舉。

所有的 master node 開始 slave 選舉投票，給要進(jìn)行選舉的 slave 進(jìn)行投票，如果大部分 master node(N/2 + 1)都投票給了某個(gè)從節(jié)點(diǎn)，那么選舉通過(guò)，那個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以切換成 master。

從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行主備切換，從節(jié)點(diǎn)切換為主節(jié)點(diǎn)。

與哨兵比較

整個(gè)流程跟哨兵相比，非常類似，所以說(shuō)，redis cluster 功能強(qiáng)大，直接集成了 replication 和 sentinel 的功能。