一文搞懂Redis的三種集群方案
在開發測試環境中，我們一般搭建Redis的單實例來應對開發測試需求，但是在生產環境，如果對可用性、可靠性要求較高，則需要引入Redis的集群方案。雖然現在各大云平臺有提供緩存服務可以直接使用，但了解一下其背后的實現與原理總還是有些必要（比如面試）， 本文就一起來學習一下Redis的幾種集群方案。
Redis支持三種集群方案
- 主從復制模式
- Sentinel（哨兵）模式
- Cluster模式
主從復制模式
1. 基本原理
主從復制模式中包含一個主數據庫實例（master）與一個或多個從數據庫實例（slave），如下圖
客戶端可對主數據庫進行讀寫操作，對從數據庫進行讀操作，主數據庫寫入的數據會實時自動同步給從數據庫。
具體工作機制為：
- slave啟動后，向master發送SYNC命令，master接收到SYNC命令后通過bgsave保存快照（即上文所介紹的RDB持久化），并使用緩沖區記錄保存快照這段時間內執行的寫命令
- master將保存的快照文件發送給slave，并繼續記錄執行的寫命令
- slave接收到快照文件后，加載快照文件，載入數據
- master快照發送完后開始向slave發送緩沖區的寫命令，slave接收命令并執行，完成復制初始化
- 此后master每次執行一個寫命令都會同步發送給slave，保持master與slave之間數據的一致性
2. 部署示例
本示例基于Redis 5.0.3版。
redis.conf的主要配置
- ###網絡相關###
- # bind 127.0.0.1 # 綁定監聽的網卡IP，注釋掉或配置成0.0.0.0可使任意IP均可訪問
- protected-mode no # 關閉保護模式，使用密碼訪問
- port 6379 # 設置監聽端口，建議生產環境均使用自定義端口
- timeout 30 # 客戶端連接空閑多久后斷開連接，單位秒，0表示禁用
- ###通用配置###
- daemonize yes # 在后臺運行
- pidfile /var/run/redis_6379.pid # pid進程文件名
- logfile /usr/local/redis/logs/redis.log # 日志文件的位置
- ###RDB持久化配置###
- save 900 1 # 900s內至少一次寫操作則執行bgsave進行RDB持久化
- save 300 10
- save 60 10000
- # 如果禁用RDB持久化，可在這里添加 save ""
- rdbcompression yes #是否對RDB文件進行壓縮，建議設置為no，以（磁盤）空間換（CPU）時間
- dbfilename dump.rdb # RDB文件名稱
- dir /usr/local/redis/datas # RDB文件保存路徑，AOF文件也保存在這里
- ###AOF配置###
- appendonly yes # 默認值是no，表示不使用AOF增量持久化的方式，使用RDB全量持久化的方式
- appendfsync everysec # 可選值 always， everysec，no，建議設置為everysec
- ###設置密碼###
- requirepass 123456 # 設置復雜一點的密碼
部署主從復制模式只需稍微調整slave的配置，在redis.conf中添加
- replicaof 127.0.0.1 6379 # master的ip，port
- masterauth 123456 # master的密碼
- replica-serve-stale-data no # 如果slave無法與master同步，設置成slave不可讀，方便監控腳本發現問題
本示例在單臺服務器上配置master端口6379，兩個slave端口分別為7001,7002，啟動master，再啟動兩個slave
- [root@dev-server-1 master-slave]# redis-server master.conf
- [root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave1.conf
- [root@dev-server-1 master-slave]# redis-server slave2.conf
進入master數據庫，寫入一個數據，再進入一個slave數據庫，立即便可訪問剛才寫入master數據庫的數據。如下所示
- [root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli
- 127.0.0.1:6379> auth 123456
- OK
- 127.0.0.1:6379> set site blog.jboost.cn
- OK
- 127.0.0.1:6379> get site
- "blog.jboost.cn"
- 127.0.0.1:6379> info replication
- # Replication
- role:master
- connected_slaves:2
- slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13364738,lag=1
- slave1:ip=127.0.0.1,port=7002,state=online,offset=13364738,lag=0
- ...
- 127.0.0.1:6379> exit
- [root@dev-server-1 master-slave]# redis-cli -p 7001
- 127.0.0.1:7001> auth 123456
- OK
- 127.0.0.1:7001> get site
- "blog.jboost.cn"
執行info replication命令可以查看連接該數據庫的其它庫的信息，如上可看到有兩個slave連接到master
3. 主從復制的優缺點
優點：
- master能自動將數據同步到slave，可以進行讀寫分離，分擔master的讀壓力
- master、slave之間的同步是以非阻塞的方式進行的，同步期間，客戶端仍然可以提交查詢或更新請求
缺點：
- 不具備自動容錯與恢復功能，master或slave的宕機都可能導致客戶端請求失敗，需要等待機器重啟或手動切換客戶端IP才能恢復
- master宕機，如果宕機前數據沒有同步完，則切換IP后會存在數據不一致的問題
- 難以支持在線擴容，Redis的容量受限于單機配置
Sentinel（哨兵）模式
1. 基本原理
哨兵模式基于主從復制模式，只是引入了哨兵來監控與自動處理故障。如圖
哨兵顧名思義，就是來為Redis集群站哨的，一旦發現問題能做出相應的應對處理。其功能包括
- 監控master、slave是否正常運行
- 當master出現故障時，能自動將一個slave轉換為master（大哥掛了，選一個小弟上位）
- 多個哨兵可以監控同一個Redis，哨兵之間也會自動監控
哨兵模式的具體工作機制：
在配置文件中通過 sentinel monitor來定位master的IP、端口，一個哨兵可以監控多個master數據庫，只需要提供多個該配置項即可。哨兵啟動后，會與要監控的master建立兩條連接：
- 一條連接用來訂閱master的_sentinel_:hello頻道與獲取其他監控該master的哨兵節點信息
- 另一條連接定期向master發送INFO等命令獲取master本身的信息
與master建立連接后，哨兵會執行三個操作：
- 定期（一般10s一次，當master被標記為主觀下線時，改為1s一次）向master和slave發送INFO命令
- 定期向master和slave的_sentinel_:hello頻道發送自己的信息
- 定期（1s一次）向master、slave和其他哨兵發送PING命令
發送INFO命令可以獲取當前數據庫的相關信息從而實現新節點的自動發現。所以說哨兵只需要配置master數據庫信息就可以自動發現其slave信息。獲取到slave信息后，哨兵也會與slave建立兩條連接執行監控。通過INFO命令，哨兵可以獲取主從數據庫的最新信息，并進行相應的操作，比如角色變更等。
接下來哨兵向主從數據庫的sentinel:hello頻道發送信息與同樣監控這些數據庫的哨兵共享自己的信息，發送內容為哨兵的ip端口、運行id、配置版本、master名字、master的ip端口還有master的配置版本。這些信息有以下用處：
- 其他哨兵可以通過該信息判斷發送者是否是新發現的哨兵，如果是的話會創建一個到該哨兵的連接用于發送PING命令。
- 其他哨兵通過該信息可以判斷master的版本，如果該版本高于直接記錄的版本，將會更新
- 當實現了自動發現slave和其他哨兵節點后，哨兵就可以通過定期發送PING命令定時監控這些數據庫和節點有沒有停止服務。
如果被PING的數據庫或者節點超時（通過 sentinel down-after-milliseconds master-name milliseconds 配置）未回復，哨兵認為其主觀下線（sdown，s就是Subjectively —— 主觀地）。如果下線的是master，哨兵會向其它哨兵發送命令詢問它們是否也認為該master主觀下線，如果達到一定數目（即配置文件中的quorum）投票，哨兵會認為該master已經客觀下線（odown，o就是Objectively —— 客觀地），并選舉領頭的哨兵節點對主從系統發起故障恢復。若沒有足夠的sentinel進程同意master下線，master的客觀下線狀態會被移除，若master重新向sentinel進程發送的PING命令返回有效回復，master的主觀下線狀態就會被移除
哨兵認為master客觀下線后，故障恢復的操作需要由選舉的領頭哨兵來執行，選舉采用Raft算法：
- 發現master下線的哨兵節點（我們稱他為A）向每個哨兵發送命令，要求對方選自己為領頭哨兵
- 如果目標哨兵節點沒有選過其他人，則會同意選舉A為領頭哨兵
- 如果有超過一半的哨兵同意選舉A為領頭，則A當選
- 如果有多個哨兵節點同時參選領頭，此時有可能存在一輪投票無競選者勝出，此時每個參選的節點等待一個隨機時間后再次發起參選請求，進行下一輪投票競選，直至選舉出領頭哨兵
選出領頭哨兵后，領頭者開始對系統進行故障恢復，從出現故障的master的從數據庫中挑選一個來當選新的master,選擇規則如下：
- 所有在線的slave中選擇優先級最高的，優先級可以通過slave-priority配置
- 如果有多個最高優先級的slave，則選取復制偏移量最大（即復制越完整）的當選
- 如果以上條件都一樣，選取id最小的slave
挑選出需要繼任的slave后，領頭哨兵向該數據庫發送命令使其升格為master，然后再向其他slave發送命令接受新的master，最后更新數據。將已經停止的舊的master更新為新的master的從數據庫，使其恢復服務后以slave的身份繼續運行。
2. 部署演示
本示例基于Redis 5.0.3版。
哨兵模式基于前文的主從復制模式。哨兵的配置文件為sentinel.conf，在文件中添加
- sentinel monitor mymaster 127.0.0.1 6379 1 # mymaster定義一個master數據庫的名稱，后面是master的ip， port，1表示至少需要一個Sentinel進程同意才能將master判斷為失效，如果不滿足這個條件，則自動故障轉移（failover）不會執行
- sentinel auth-pass mymaster 123456 # master的密碼
- sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000 # 5s未回復PING，則認為master主觀下線，默認為30s
- sentinel parallel-syncs mymaster 2 # 指定在執行故障轉移時，最多可以有多少個slave實例在同步新的master實例，在slave實例較多的情況下這個數字越小，同步的時間越長，完成故障轉移所需的時間就越長
- sentinel failover-timeout mymaster 300000 # 如果在該時間（ms）內未能完成故障轉移操作，則認為故障轉移失敗，生產環境需要根據數據量設置該值
一個哨兵可以監控多個master數據庫，只需按上述配置添加多套
分別以26379,36379,46379端口啟動三個sentinel
- [root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel1.conf --sentinel
- [root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel2.conf --sentinel
- [root@dev-server-1 sentinel]# redis-server sentinel3.conf --sentinel
也可以使用redis-sentinel sentinel1.conf 命令啟動。此時集群包含一個master、兩個slave、三個sentinel，如圖，
我們來模擬master掛掉的場景，執行 kill -9 3017 將master進程干掉，進入slave中執行 info replication查看，
- [root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7001
- 127.0.0.1:7001> auth 123456
- OK
- 127.0.0.1:7001> info replication
- # Replication
- role:slave
- master_host:127.0.0.1
- master_port:7002
- master_link_status:up
- master_last_io_seconds_ago:1
- master_sync_in_progress:0
- # 省略
- 127.0.0.1:7001> exit
- [root@dev-server-1 sentinel]# redis-cli -p 7002
- 127.0.0.1:7002> auth 123456
- OK
- 127.0.0.1:7002> info replication
- # Replication
- role:master
- connected_slaves:1
- slave0:ip=127.0.0.1,port=7001,state=online,offset=13642721,lag=1
- # 省略
可以看到slave 7002已經成功上位晉升為master（role：master），接收一個slave 7001的連接。此時查看slave2.conf配置文件，發現replicaof的配置已經被移除了，slave1.conf的配置文件里replicaof 127.0.0.1 6379 被改為 replicaof 127.0.0.1 7002。重新啟動master，也可以看到master.conf配置文件中添加了replicaof 127.0.0.1 7002的配置項，可見大哥（master）下位后，再出來混就只能當當小弟（slave）了，三十年河東三十年河西。
3. 哨兵模式的優缺點
優點：
- 哨兵模式基于主從復制模式，所以主從復制模式有的優點，哨兵模式也有
- 哨兵模式下，master掛掉可以自動進行切換，系統可用性更高
缺點：
- 同樣也繼承了主從模式難以在線擴容的缺點，Redis的容量受限于單機配置
- 需要額外的資源來啟動sentinel進程，實現相對復雜一點，同時slave節點作為備份節點不提供服務
Cluster模式
1. 基本原理
哨兵模式解決了主從復制不能自動故障轉移，達不到高可用的問題，但還是存在難以在線擴容，Redis容量受限于單機配置的問題。Cluster模式實現了Redis的分布式存儲，即每臺節點存儲不同的內容，來解決在線擴容的問題。如圖
Cluster采用無中心結構,它的特點如下：
- 所有的redis節點彼此互聯(PING-PONG機制),內部使用二進制協議優化傳輸速度和帶寬
- 節點的fail是通過集群中超過半數的節點檢測失效時才生效
- 客戶端與redis節點直連,不需要中間代理層.客戶端不需要連接集群所有節點,連接集群中任何一個可用節點即可
Cluster模式的具體工作機制：
1. 在Redis的每個節點上，都有一個插槽（slot），取值范圍為0-16383
2. 當我們存取key的時候，Redis會根據CRC16的算法得出一個結果，然后把結果對16384求余數，這樣每個key都會對應一個編號在0-16383之間的哈希槽，通過這個值，去找到對應的插槽所對應的節點，然后直接自動跳轉到這個對應的節點上進行存取操作
3. 為了保證高可用，Cluster模式也引入主從復制模式，一個主節點對應一個或者多個從節點，當主節點宕機的時候，就會啟用從節點
4. 當其它主節點ping一個主節點A時，如果半數以上的主節點與A通信超時，那么認為主節點A宕機了。如果主節點A和它的從節點都宕機了，那么該集群就無法再提供服務了
Cluster模式集群節點最小配置6個節點(3主3從，因為需要半數以上)，其中主節點提供讀寫操作，從節點作為備用節點，不提供請求，只作為故障轉移使用。
2. 部署演示
本示例基于Redis 5.0.3版。
Cluster模式的部署比較簡單，首先在redis.conf中
- port 7100 # 本示例6個節點端口分別為7100,7200,7300,7400,7500,7600
- daemonize yes # r后臺運行
- pidfile /var/run/redis_7100.pid # pidfile文件對應7100,7200,7300,7400,7500,7600
- cluster-enabled yes # 開啟集群模式
- masterauth passw0rd # 如果設置了密碼，需要指定master密碼
- cluster-config-file nodes_7100.conf # 集群的配置文件，同樣對應7100,7200等六個節點
- cluster-node-timeout 15000 # 請求超時 默認15秒，可自行設置
分別以端口7100,7200,7300,7400,7500,7600 啟動六個實例(如果是每個服務器一個實例則配置可一樣)
- [root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7100.conf
- [root@dev-server-1 cluster]# redis-server redis_7200.conf
- ...
然后通過命令將這個6個實例組成一個3主節點3從節點的集群，
- redis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 127.0.0.1:7100 127.0.0.1:7200 127.0.0.1:7300 127.0.0.1:7400 127.0.0.1:7500 127.0.0.1:7600 -a passw0rd
執行結果如圖
可以看到 7100， 7200， 7300 作為3個主節點，分配的slot分別為 0-5460， 5461-10922， 10923-16383， 7600作為7100的slave， 7500作為7300的slave，7400作為7200的slave。
我們連接7100設置一個值
- [root@dev-server-1 cluster]# redis-cli -p 7100 -c -a passw0rd
- Warning: Using a password with '-a' or '-u' option on the command line interface may not be safe.
- 127.0.0.1:7100> set site blog.jboost.cn
- -> Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200
- OK
- 127.0.0.1:7200> get site
- "blog.jboost.cn"
- 127.0.0.1:7200>
注意添加 -c 參數表示以集群模式，否則報 (error) MOVED 9421 127.0.0.1:7200 錯誤， 以 -a 參數指定密碼，否則報(error) NOAUTH Authentication required錯誤。
從上面命令看到key為site算出的slot為9421，落在7200節點上，所以有Redirected to slot [9421] located at 127.0.0.1:7200，集群會自動進行跳轉。因此客戶端可以連接任何一個節點來進行數據的存取。
通過cluster nodes可查看集群的節點信息
- 127.0.0.1:7200> cluster nodes
- eb28aaf090ed1b6b05033335e3d90a202b422d6c 127.0.0.1:7500@17500 slave c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 0 1584165266071 5 connected
- 4cc0463878ae00e5dcf0b36c4345182e021932bc 127.0.0.1:7400@17400 slave 5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 0 1584165267074 4 connected
- dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 127.0.0.1:7100@17100 master - 0 1584165266000 1 connected 0-5460
- d4b434f5829e73e7e779147e905eea6247ffa5a2 127.0.0.1:7600@17600 slave dbbb6420d64db22f35a9b6fa460b0878c172a2fb 0 1584165265000 6 connected
- 5544aa5ff20f14c4c3665476de6e537d76316b4a 127.0.0.1:7200@17200 myself,master - 0 1584165267000 2 connected 5461-10922
- c1047de2a1b5d5fa4666d554376ca8960895a955 127.0.0.1:7300@17300 master - 0 1584165268076 3 connected 10923-16383
我們將7200通過 kill -9 pid殺死進程來驗證集群的高可用，重新進入集群執行cluster nodes可以看到7200 fail了，但是7400成了master，重新啟動7200，可以看到此時7200已經變成了slave。
3. Cluster模式的優缺點
優點：
1. 無中心架構，數據按照slot分布在多個節點。
2. 集群中的每個節點都是平等的關系，每個節點都保存各自的數據和整個集群的狀態。每個節點都和其他所有節點連接，而且這些連接保持活躍，這樣就保證了我們只需要連接集群中的任意一個節點，就可以獲取到其他節點的數據。
3. 可線性擴展到1000多個節點，節點可動態添加或刪除
4. 能夠實現自動故障轉移，節點之間通過gossip協議交換狀態信息，用投票機制完成slave到master的角色轉換
缺點：
- 客戶端實現復雜，驅動要求實現Smart Client，緩存slots mapping信息并及時更新，提高了開發難度。目前僅JedisCluster相對成熟，異常處理還不完善，比如常見的“max redirect exception”
- 節點會因為某些原因發生阻塞（阻塞時間大于 cluster-node-timeout）被判斷下線，這種failover是沒有必要的
- 數據通過異步復制，不保證數據的強一致性
- slave充當“冷備”，不能緩解讀壓力
- 批量操作限制，目前只支持具有相同slot值的key執行批量操作，對mset、mget、sunion等操作支持不友好
- key事務操作支持有線，只支持多key在同一節點的事務操作，多key分布不同節點時無法使用事務功能
- 不支持多數據庫空間，單機redis可以支持16個db，集群模式下只能使用一個，即db 0
Redis Cluster模式不建議使用pipeline和multi-keys操作，減少max redirect產生的場景。
總結
本文介紹了Redis集群方案的三種模式，其中主從復制模式能實現讀寫分離，但是不能自動故障轉移；哨兵模式基于主從復制模式，能實現自動故障轉移，達到高可用，但與主從復制模式一樣，不能在線擴容，容量受限于單機的配置；Cluster模式通過無中心化架構，實現分布式存儲，可進行線性擴展，也能高可用，但對于像批量操作、事務操作等的支持性不夠好。三種模式各有優缺點，可根據實際場景進行選擇。
