Redis主从、哨兵、 Cluster集群一锅端！（二）

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。
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：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。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 •  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。

 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：

 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： •  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：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 

 •  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]