Redis主从、哨兵、 Cluster集群一锅端!(二)

发布于 2022-5-30 17:31
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2.7 故障转移
假设哨兵模式架构如下,有三个哨兵,一个主库M,两个从库S1和S2。

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当哨兵检测到Redis主库M1出现故障,那么哨兵需要对集群进行故障转移。假设选出了哨兵3作为Leader。故障转移流程如下:

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  • 从库S1解除从节点身份,升级为新主库
  • 从库S2成为新主库的从库
  • 原主节点恢复也变成新主库的从节点
  • 通知客户端应用程序新主节点的地址。
    故障转移后:

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3.Redis Cluster集群 
哨兵模式基于主从模式,实现读写分离,它还可以自动切换,系统可用性更高。但是它每个节点存储的数据是一样的,浪费内存,并且不好在线扩容。因此,Reids Cluster集群(切片集群的实现方案)应运而生,它在Redis3.0加入的,实现了Redis的分布式存储。对数据进行分片,也就是说每台Redis节点上存储不同的内容,来解决在线扩容的问题。并且,它可以保存大量数据,即分散数据到各个Redis实例,还提供复制和故障转移的功能。

 

比如你一个Redis实例保存15G甚至更大的数据,响应就会很慢,这是因为Redis RDB 持久化机制导致的,Redis会fork子进程完成 RDB 持久化操作,fork执行的耗时与 Redis 数据量成正相关。


这时候你很容易想到,把15G数据分散来存储就好了嘛。这就是Redis切片集群的初衷。切片集群是啥呢?来看个例子,如果你要用Redis保存15G的数据,可以用单实例Redis,或者3台Redis实例组成切片集群,对比如下:

 

切片集群和Redis Cluster 的区别:Redis Cluster是从Redis3.0版本开始,官方提供的一种实现切片集群的方案。
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既然数据是分片分布到不同Redis实例的,那客户端到底是怎么确定想要访问的数据在哪个实例上呢?我们一起来看下Reids Cluster是怎么做的哈。

 

3.1 哈希槽(Hash Slot)
Redis Cluster方案采用哈希槽(Hash Slot),来处理数据和实例之间的映射关系。

一个切片集群被分为16384个slot(槽),每个进入Redis的键值对,根据key进行散列,分配到这16384插槽中的一个。使用的哈希映射也比较简单,用CRC16算法计算出一个16bit的值,再对16384取模。数据库中的每个键都属于这16384个槽的其中一个,集群中的每个节点都可以处理这16384个槽。

 

集群中的每个节点负责一部分的哈希槽,假设当前集群有A、B、C3个节点,每个节点上负责的哈希槽数 =16384/3,那么可能存在的一种分配:

  • 节点A负责0~5460号哈希槽
  • 节点B负责5461~10922号哈希槽
  • 节点C负责10923~16383号哈希槽
    客户端给一个Redis实例发送数据读写操作时,如果这个实例上并没有相应的数据,会怎么样呢?MOVED重定向和ASK重定向了解一下哈

 

3.2  MOVED重定向和ASK重定向
在Redis cluster模式下,节点对请求的处理过程如下:

  1. 通过哈希槽映射,检查当前Redis key是否存在当前节点
  2. 若哈希槽不是由自身节点负责,就返回MOVED重定向
  3. 若哈希槽确实由自身负责,且key在slot中,则返回该key对应结果
  4. 若Redis key不存在此哈希槽中,检查该哈希槽是否正在迁出(MIGRATING)?
  5. 若Redis key正在迁出,返回ASK错误重定向客户端到迁移的目的服务器上
  6. 若哈希槽未迁出,检查哈希槽是否导入中?
  7. 若哈希槽导入中且有ASKING标记,则直接操作,否则返回MOVED重定向


3.2.1 Moved 重定向
客户端给一个Redis实例发送数据读写操作时,如果计算出来的槽不是在该节点上,这时候它会返回MOVED重定向错误,MOVED重定向错误中,会将哈希槽所在的新实例的IP和port端口带回去。这就是Redis Cluster的MOVED重定向机制。流程图如下:

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3.2.2 ASK 重定向
Ask重定向一般发生于集群伸缩的时候。集群伸缩会导致槽迁移,当我们去源节点访问时,此时数据已经可能已经迁移到了目标节点,使用Ask重定向可以解决此种情况。

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3.3 Cluster集群节点的通讯协议:Gossip
一个Redis集群由多个节点组成,各个节点之间是怎么通信的呢?通过Gossip协议!Gossip是一种谣言传播协议,每个节点周期性地从节点列表中选择 k 个节点,将本节点存储的信息传播出去,直到所有节点信息一致,即算法收敛了。

 

Gossip协议基本思想:一个节点想要分享一些信息给网络中的其他的一些节点。于是,它周期性的随机选择一些节点,并把信息传递给这些节点。这些收到信息的节点接下来会做同样的事情,即把这些信息传递给其他一些随机选择的节点。一般而言,信息会周期性的传递给N个目标节点,而不只是一个。这个N被称为fanout

 

Redis Cluster集群通过Gossip协议进行通信,节点之前不断交换信息,交换的信息内容包括节点出现故障、新节点加入、主从节点变更信息、slot信息等等。gossip协议包含多种消息类型,包括ping,pong,meet,fail,等等

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  • meet消息:通知新节点加入。消息发送者通知接收者加入到当前集群,meet消息通信正常完成后,接收节点会加入到集群中并进行周期性的ping、pong消息交换。
  • ping消息:节点每秒会向集群中其他节点发送 ping 消息,消息中带有自己已知的两个节点的地址、槽、状态信息、最后一次通信时间等
  • pong消息:当接收到ping、meet消息时,作为响应消息回复给发送方确认消息正常通信。消息中同样带有自己已知的两个节点信息。
  • fail消息:当节点判定集群内另一个节点下线时,会向集群内广播一个fail消息,其他节点接收到fail消息之后把对应节点更新为下线状态。
    特别的,每个节点是通过集群总线(cluster bus) 与其他的节点进行通信的。通讯时,使用特殊的端口号,即对外服务端口号加10000。例如如果某个node的端口号是6379,那么它与其它nodes通信的端口号是 16379。nodes 之间的通信采用特殊的二进制协议。

 

3.4 故障转移
Redis集群实现了高可用,当集群内节点出现故障时,通过故障转移,以保证集群正常对外提供服务。

redis集群通过ping/pong消息,实现故障发现。这个环境包括主观下线和客观下线。

主观下线: 某个节点认为另一个节点不可用,即下线状态,这个状态并不是最终的故障判定,只能代表一个节点的意见,可能存在误判情况。

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 主观下线

客观下线: 指标记一个节点真正的下线,集群内多个节点都认为该节点不可用,从而达成共识的结果。如果是持有槽的主节点故障,需要为该节点进行故障转移。

  • 假如节点A标记节点B为主观下线,一段时间后,节点A通过消息把节点B的状态发到其它节点,当节点C接受到消息并解析出消息体时,如果发现节点B的pfail状态时,会触发客观下线流程;
  • 当下线为主节点时,此时Redis Cluster集群为统计持有槽的主节点投票,看投票数是否达到一半,当下线报告统计数大于一半时,被标记为客观下线状态。
    流程如下:

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客观下线

故障恢复:故障发现后,如果下线节点的是主节点,则需要在它的从节点中选一个替换它,以保证集群的高可用。流程如下:

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  • 资格检查:检查从节点是否具备替换故障主节点的条件。
  • 准备选举时间:资格检查通过后,更新触发故障选举时间。
  • 发起选举:到了故障选举时间,进行选举。
  • 选举投票:只有持有槽的主节点才有票,从节点收集到足够的选票(大于一半),触发替换主节点操作


3.5 加餐:为什么Redis Cluster的Hash Slot 是16384?
对于客户端请求过来的键值key,哈希槽=CRC16(key) % 16384,CRC16算法产生的哈希值是16bit的,按道理该算法是可以产生2^16=65536个值,为什么不用65536,用的是16384(2^14)呢?

大家可以看下作者的原始回答:

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Redis 每个实例节点上都保存对应有哪些slots,它是一个 unsigned char slots[REDIS_CLUSTER_SLOTS/8] 类型 

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  • 在redis节点发送心跳包时需要把所有的槽放到这个心跳包里,如果slots数量是 65536 ,占空间=  65536 / 8(一个字节8bit) / 1024(1024个字节1kB) =8kB ,如果使用slots数量是 16384 ,所占空间 = 16384 / 8(每个字节8bit) / 1024(1024个字节1kB) = 2kB ,可见16384个slots比 65536省 6kB内存左右,假如一个集群有100个节点,那每个实例里就省了600kB啦
  • 一般情况下Redis cluster集群主节点数量基本不可能超过1000个,超过1000会导致网络拥堵。对于节点数在1000以内的Redis cluster集群,16384个槽位其实够用了。
    既然为了节省内存网络开销,为什么 slots不选择用8192(即16384/2) 呢?

8192 / 8(每个字节8bit) / 1024(1024个字节1kB) = 1kB ,只需要1KB!可以先看下Redis 把 Key 换算成所属 slots 的方法

unsigned int keyHashSlot(char *key, int keylen) {
    int s, e; /* start-end indexes of { and } */

    for (s = 0; s < keylen; s++)
        if (key[s] == '{') break;

    /* No '{' ? Hash the whole key. This is the base case. */
    if (s == keylen) return crc16(key,keylen) & 0x3FFF;

    /* '{' found? Check if we have the corresponding '}'. */
    for (e = s+1; e < keylen; e++)
        if (key[e] == '}') break;

    /* No '}' or nothing betweeen {} ? Hash the whole key. */
    if (e == keylen || e == s+1) return crc16(key,keylen) & 0x3FFF;

    /* If we are here there is both a { and a } on its right. Hash
     * what is in the middle between { and }. */
    return crc16(key+s+1,e-s-1) & 0x3FFF;
}

 

Redis 将key换算成slots 的方法:其实就是是将crc16(key) 之后再和slots的数量进行与计算

这里为什么用0x3FFF(16383) 来计算,而不是16384呢?因为在不产生溢出的情况下 x % (2^n)等价于x & (2^n - 1)即 x % 16384 == x & 16383

那到底为什么不用8192呢?

crc16 出来结果,理论上出现重复的概率为 1⁄65536,但实际结果重复概率可能比这个大不少,就像crc32 结果 理论上 1/40亿 分之一,但实际有人测下来10万碰撞的概率就比较大了。假如 slots 设置成 8192, 200个实例的节点情况下,理论值是 每40个不同key请求,命中就会失效一次,假如节点数增加到400,那就是20个请求。并且1kb 并不会比 2k 省太多,性价比不是特别高,所以可能 选16384会更为通用一点


巨人的肩膀(参考与感谢) 

  • 极客时间的《Redis 核心技术与实战》[1]
  • Redis进阶 - 高可拓展:分片技术(Redis Cluster)详解[2]
  • Redis slots 槽的数量为什么是16384[3]


参考资料
[1]极客时间的《Redis 核心技术与实战》: https://time.geekbang.org/column/intro/100056701?tab=catalog

[2]Redis进阶 - 高可拓展:分片技术(Redis Cluster)详解: https://pdai.tech/md/db/nosql-redis/db-redis-x-cluster.html

[3]Redis slots 槽的数量为什么是16384: https://jc3wish.github.io/post/redis_slots_request_1/
 

文章转自公众号:小白debug

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