redis高可用集群搭建与原理分析

作者: 董二弯 | 来源:发表于2020-04-24 19:46 被阅读0次

Redis集群方案比较

哨兵模式

image.png
在redis3.0以前的版本要实现集群一般是借助哨兵sentinel工具来监控master节点的状态，如果master节点异常，则会做主从切换，将某一台slave作为master，哨兵的配置略微复杂，并且性能和高可用性等各方面表现一般，特别是在主从切换的瞬间存在访问瞬断的情况，而且哨兵模式只有一个主节点对外提供服务，没法支持很高的并发，且单个主节点内存也不宜设置得过大，否则会导致持久化文件过大，影响数据恢复或主从同步的效率。

高可用集群模式

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redis集群是一个由多个主从节点群组成的分布式服务器群，它具有复制、高可用和分片特性。Redis集群不需要sentinel哨兵也能完成节点移除和故障转移的功能。需要将每个节点设置成集群模式，这种集群模式没有中心节点，可水平扩展，据官方文档称可以线性扩展到上万个节点(官方推荐不超过1000个节点)。redis集群的性能和高可用性均优于之前版本的哨兵模式，且集群配置非常简单。

Redis高可用集群搭建

环境

系统：mac
redis版本：5.0.8
方式：本地伪分布式集群

本地安装redis

下载地址:http://redis.io/download 安装步骤:
把下载好的redis-5.0.8.tar.gz放在指定文件夹下，并解压
tar -zxvf redis-5.0.8.tar.gz
进入到解压好的redis-5.0.8目录下
编译测试 sudo make test
编译安装 sudo make install

成功之后效果图

image.png
模拟分布式集群
新建一个文件夹redis-cluster。在下面新建6个文件夹，以端口号为名，并在下面新建conf文件夹复制一份原始的redis配置文件。之后会以这几个配置文件启动6个实例，模拟1主1从的3组集群。分布式集群要求集群最少是3组，是因为其发生故障后的选举方式导致，具体在下文讲。

image.png
修改各个配置文件的配置如下

(1)daemonize yes 表示在后台启动
(2)port 8001(分别对每个机器的端口号进行设置)
(3)dir /Users/dongzhiying/Documents/app/redis-cluster/8001(指定数据文件存放位置，必须要指定不同的目录位置，不然会丢失数据)
(4)cluster-enabled yes(启动集群模式)
(5)cluster-config-file nodes-8001.conf(集群节点信息文件，这里800x最好和port对 应上)
(6)cluster-node-timeout 5000 （超时时间，防止发生网络抖动而重新选举）
(7) # bind 127.0.0.1(去掉bind绑定访问ip信息)
(8) protected-mode no (关闭保护模式) 
(9)appendonly yes
如果要设置密码需要增加如下配置:
(10)requirepass 123456 (设置redis访问密码)
(11)masterauth 123456 (设置集群节点间访问密码，跟上面一致)

启动实例

src/redis-server ../redis-cluster/800*/conf/redis.conf  #以各个文件的配置文件启动
ps -ef | grep redis 查看是否启动成功

image.png

用redis-cli创建整个redis集群
redis5以前的版本集群是依靠ruby脚本redis- trib.rb实现。

src/redis-cli -a 123456 --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:8001 127.0.0.1:8002 127.0.0.1:8003 127.0.0.1:8004 127.0.0.1:8005 127.0.0.1:8006

--cluster-replicas 的含义是一个master有几个从节点。这里配置为1，一个主节点只有一个从节点。这样一个集群就是2个节点。6/2=3。满足了至少三个集群的要求。

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验证集群

src/redis-cli -a 123456 -c -h 127.0.0.1 -p 8001
连接任意一个客户端即可:redis-cli -c -h -p (-a访问服务端密码，-c表示集群模式，指定ip地址和端口号)如:/usr/local/redis-5.0.2/src/redis-cli -a zhuge -c -h 192.168.0.61 -p 800*

image.png

cluster info(查看集群信息)

image.png

cluster nodes(查看节点列表)

image.png

从上图可以看出，整个集群运行正常，三个master节点和三个slave节点，可以看出8006是8002的从节点，8001端口的实例节点存储0-5460这些hash槽，8002端口的实例节点存储5461-10922这些hash槽，8003端口的实例节点存储10923-16383这些hash槽，这三个master节点存储的所有hash槽组成redis集群的存储槽位，slave点是每个主节点的备份从节点，不显示存储槽位。关于槽位在下文中会讲到。

关闭集群则需要逐个进行关闭，使用命令:
redis-cli -a 密码 -c -h ip -p 800* shutdown

Java操作redis集群

借助redis的java客户端jedis可以操作以上集群，引用jedis版本的maven坐标如下:

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/redis.clients/jedis -->
        <dependency>
            <groupId>redis.clients</groupId>
            <artifactId>jedis</artifactId>
            <version>3.0.1</version>
        </dependency>

Java编写访问redis集群的代码非常简单，如下所示:

import redis.clients.jedis.HostAndPort;
import redis.clients.jedis.JedisCluster;
import redis.clients.jedis.JedisPoolConfig;

import java.io.IOException;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class RedisCluster {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        Set<HostAndPort> jedisClusterNode = new HashSet<HostAndPort>();
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8001));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8002));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8003));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8004));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8005));
        jedisClusterNode.add(new HostAndPort("127.0.0.1", 8006));

        JedisPoolConfig config = new JedisPoolConfig();
        config.setMaxTotal(100);
        config.setMaxIdle(10);
        //connectionTimeout:指的是连接一个url的连接等待时间 //soTimeout:指的是连接上一个url，获取response的返回等待时间
        config.setTestOnBorrow(true);
        JedisCluster jedisCluster = new JedisCluster(jedisClusterNode, 6000, 5000, 10,
                "123456", config);
        System.out.println(jedisCluster.set("student", "dzy"));
        System.out.println(jedisCluster.set("age", "25"));
        System.out.println(jedisCluster.get("student"));
        System.out.println(jedisCluster.get("age"));
        jedisCluster.close();
    }

}

结果

image.png

jedisClusterNode中需要添加集群所有的节点吗？
可以测试只添加集群中其中一个节点也能访问集群，这里建议添加多个，如果只添加一个，如果这一个节点挂了就访问不到集群了。

Redis集群原理分析

槽位是什么意思？
Redis Cluster 将所有数据划分为 16384 的 slots(槽位)，至于为什么是16384是redis作者定的，每个主节点负责其中一部分槽位。槽位的信息存储于每个节点中。
当 Redis Cluster 的客户端来连接集群时，它也会得到一份集群的槽位配置信息并将其缓存在客户端本地。这样当客户端要查找某个 key 时，可以直接定位到目标节点。同时因为槽位的信息可能会存在客户端与服务器不一致的情况，还需要纠正机制来实现槽位信息的校验调整。
槽位定位算法
Cluster 默认会对 key 值使用 crc16 算法进行 hash 得到一个整数值，然后用这个整数值对 16384 进行取模来得到具体槽位。
HASH_SLOT = CRC16(key) mod 16384

image.png
从上面测试集群时可以看出8002的槽位为5461-10922。当我们执行set name dzy命令的时候。提示计算出的slot为5798，在5461-10922范围内。所有跳转重定位到了8002。

跳转重定位
当客户端向一个错误的节点发出了指令，该节点会发现指令的 key 所在的槽位并不归自己管理，这时它会向客户端发送一个特殊的跳转指令携带目标操作的节点地址，告诉客户端去连这个节点去获取数据。客户端收到指令后除了跳转到正确的节点上去操作，还会同步更新纠正本地的槽位映射表缓存，后续所有 key 将使用新的槽位映射表。

网络抖动
真实的机房网络往往并不是风平浪静的，它们经常会发生各种各样的小问题。比如网络抖动就是常见的一种现象，突然之间部分连接变得不可访问，然后很快又恢复正常。
为解决这种问题，Redis Cluster 提供了一种选项clusternodetimeout，表示当某个节点持续 timeout 的时间失联时，才可以认定该节点出现故障，需要进行主从切换。如果没有这个选项，网络抖动会导致主从频繁切换 (数据的重新复制)。

扩容

我们在原始集群基础上再增加一主(8007)一从(8008)，增加节点后的集群参见下图，新增节点用虚线框表示。

image.png
增加redis实例
在redis-cluster下创建8007和8008文件夹，并拷贝8001文件夹下的redis.conf文件到8007和8008这两个文件夹下，并修改配置项如下

port:800*
dir /Users/dongzhiying/Documents/app/redis-cluster/800*
cluster-config-file nodes-800*.conf

image.png

启动实例

src/redis-server ../redis-cluster/800*/conf/redis.conf
// 查看是否启动成功
ps -ef | grep redis

image.png

查看redis集群的命令帮助

image.png

create：创建一个集群环境host1:port1 ... hostN:portN
check：检查集群状态
add-node：将一个节点添加到集群里，第一个参数为新节点的ip:port，第二个参数为集群中任意一个已经存在的节点的ip:port
del-node：移除一个节点
call：可以执行redis命令

配置8007为集群主节点
使用add-node命令新增一个主节点8007(master)，看到日志最后有"[OK] New node added correctly"提示代表新节点加入成功

src/redis-cli -a 123456 --cluster add-node 127.0.0.1:8007 127.0.0.1:8001

查看集群状态

image.png
当添加节点成功以后，新增的节点不会有任何数据，因为它还没有分配任何的slot(hash槽)，我们需要为新节点手工分配hash槽

为8007分配hash槽
找到集群中的任意一个主节点，对其进行重新分片工作。

/src/redis-cli  -a 123456 --cluster reshard 127.0.0.1:8001

输出如下：

How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? 600
(ps:需要多少个槽移动到新的节点上，自己设置，比如600个hash槽)
What is the receiving node ID? fa4c87ba9b5635f0d064ce6acc9e59f56903dd0a
(ps:把这600个hash槽移动到哪个节点上去，需要指定节点id)
Please enter all the source node IDs.
 Type 'all' to use all the nodes as source nodes for the hash slots.
 Type 'done' once you entered all the source nodes IDs.
Source node 1:all
(ps:输入all为从所有主节点(8001,8002,8003)中分别抽取相应的槽数指定到新节点中，抽取的总槽数为600个)
... ...
Do you want to proceed with the proposed reshard plan (yes/no)? yes
(ps:输入yes确认开始执行分片任务)
... ...

查看下最新的集群状态

image.png
如上图所示，8007已经有hash槽了，也就是说可以在8007上进行读写数据啦！到此为止我们的8007已经加入到集群中，并且是主节点(Master)

添加从节点8008到集群

src/redis-cli -a 123456 --cluster add-node 127.0.0.1:8008 127.0.0.1:8001

查看集群状态

image.png

如图所示，还是一个master节点，没有被分配任何的hash槽。刚分配到集群的节点角色都是master。

使8008为8007的从节点
我们需要执行replicate命令来指定当前节点(从节点)的主节点id为哪个,首先需要连接新加的8008节点的客户端，然后使用集群命令进行操作，把当前的8008(slave)节点指定到一个主节点下(这里使用之前创建的8007主节点)

src/redis-cli -a 123456 -c -h 127.0.0.1 -p 8008
cluster replicate fa4c87ba9b5635f0d064ce6acc9e59f56903dd0a

查看集群状态

image.png
8008节点已成功添加为8007节点的从节点

缩容

删除8008从节点
用del-node删除从节点8008，指定删除节点ip和端口，以及节点id

src/redis-cli -a 123456 --cluster del-node 127.0.0.1:8008 20dbea4395932186883827817f42ad40cc187f99

再次查看集群信息

image.png

如图，8008这个slave节点已经移除，并且该节点的redis服务也已被停止。

删除8007主节点
最后，我们尝试删除之前加入的主节点8007，这个步骤相对比较麻烦一些，因为主节点的里面是有分配了hash槽的，所以我们这里必须先把8007里的hash槽放入到其他的可用主节点中去，然后再进行移除节点操作，不然会出现数据丢失问题(目前只能把master的数据迁移到一个节点上，暂时做不了平均分配功能)，执行命令如下：
src/redis-cli -a 123456 --cluster reshard 127.0.0.1:8007
输出如下：

 ... ...
How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? 600
What is the receiving node ID? 7573f38c79ef45440465351951f211714d36a896
(ps:这里是需要把数据移动到哪？8001的主节点id)
Please enter all the source node IDs.
  Type 'all' to use all the nodes as source nodes for the hash slots.
  Type 'done' once you entered all the source nodes IDs.
Source node 1:fa4c87ba9b5635f0d064ce6acc9e59f56903dd0a
(ps:这里是需要数据源，也就是我们的8007节点id)
Source node 2:done
(ps:这里直接输入done 开始生成迁移计划)
 ... ...
Do you want to proceed with the proposed reshard plan (yes/no)? Yes
(ps:这里输入yes开始迁移)

至此，我们已经成功的把8007主节点的数据迁移到8001上去了，我们可以看一下现在的集群状态如下图，你会发现8007下面已经没有任何hash槽了，证明迁移成功！

image.png

最后我们直接使用del-node命令删除8007主节点即可,和删除8008类似。

Redis集群选举原理分析

当slave发现自己的master变为FAIL状态时，便尝试进行Failover，以期成为新的master。由于挂掉的master可能会有多个slave，从而存在多个slave竞争成为master节点的过程，其过程如下：
1.slave发现自己的master变为FAIL
2.将自己记录的集群currentEpoch加1(可以通过cluster info 查看)，并广播FAILOVER_AUTH_REQUEST 信息
3.其他节点收到该信息，只有master响应，判断请求者的合法性，并发送FAILOVER_AUTH_ACK，对每一个epoch只发送一次ack
4.尝试failover的slave收集FAILOVER_AUTH_ACK
5.超过半数后变成新Master
6.广播Pong通知其他集群节点。

从节点并不是在主节点一进入 FAIL 状态就马上尝试发起选举，而是有一定延迟，一定的延迟确保我们等待FAIL状态在集群中传播，slave如果立即尝试选举，其它masters或许尚未意识到FAIL状态，可能会拒绝投票
•延迟计算公式：
DELAY = 500ms + random(0 ~ 500ms) + SLAVE_RANK * 1000ms
•SLAVE_RANK表示此slave已经从master复制数据的总量的rank。Rank越小代表已复制的数据越新。这种方式下，持有最新数据的slave将会首先发起选举（理论上）。

测试选举

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从上图看出，8004是8003的从节点，我们手动kill 8003。查看集群信息，按理说8004会成为master。

 kill -9 5867 # 通过ps -ef|grep redis 查看8003的进程号为5867

查看集群信息

image.png
上图可见已经选举成功。

上文中提到集群的数量至少要为3组？
假设只有两组，当一组的mater节点挂掉之后，只有一台mater响应选举，并发送FAILOVER_AUTH_ACK。这违反了超过半数原理。但是查资料对每一个epoch只发送一次ack。如果有两个从节点，只有其中一个接受了ack。这样也超过了半数原则，按道理也可以成为master节点继续工作。由这个猜想我们测试一下。
启动8004，使它成为8002的从节点，这样8002就有8004和8006两个从节点，当kill掉8002之后，如果其中一台成为了master节点代表只是默认3组集群，不是必须。
加入8004之前需要先把下面的文件删除，不然会加入集群失败

image.png
加入成功后查看集群状态

image.png
此时kill掉8002之后

image.png

集群已经挂掉。currentEpoch可以看出也增加了，说明已经选举过，但是选举失败。
结论：必须是至少3个集群。

redis高可用集群搭建与原理分析

Redis集群方案比较

Redis高可用集群搭建

Java操作redis集群

Redis集群原理分析

扩容

缩容

Redis集群选举原理分析

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