深入淺析Redis 集群伸縮原理

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Redis 節點分別維護自己負責的槽和對應的數據。伸縮原理：Redis 槽和對應數據在不同節點之間移動

環境：CentOS7 搭建 Redis 集群

一、集群擴容

1. 手動擴容

(1) 準備節點 9007，並加入集群

192.168.11.40:9001> cluster meet 192.168.11.40 9007

【註意】若 cluster meet 加入已存在於其它集群的節點，會導致集群合並，造成數據錯亂！。建議使用 redis-cli 的 add-node：

# 若節點已加入其它集群或包含數據，會報錯
add-node    new_host:new_port existing_host:existing_port
            --cluster-slave  # 直接添加為從節點
            --cluster-master-id <arg>  # 從節點對應的主節點id

(2) 遷移槽和數據

槽在遷移過程中集群可以正常提供讀寫服務

首先確定原有節點的哪些槽需要遷移到新節點。確保每個節點負責相似數量的槽，保證各節點的數據均勻

槽是 Redis 集群管理數據的基本單位。數據遷移是逐槽進行的

槽遷移流程：

  • 目標節點準備導入槽的數據：目標節點執行cluster setslot {slot} importing {sourceNodeId}
  • 源節點準備遷出槽的數據：源節點執行cluster setslot {slot} migrating {targetNodeId}
  • 獲取 count 個屬於槽 slot 的鍵：源節點執行cluster getkeysinslot {slot} {count}
  • 遷移鍵：源節點執行migrate {targetIp} {targetPort} "" 0 {timeout} keys {keys...}，把鍵通過流水線（pipeline）機制批量遷移到目標節點。Redis3.0.6 後才支持批量遷移
  • 重復上兩步，直到槽下所有的鍵值數據遷移到目標節點
  • 向集群所有主節點通知槽被分配給目標節點：集群內所有主節點執行cluster setslot {slot} node {targetNodeId}

內部偽代碼：

def move_slot(source,target,slot):
    # 目標節點準備導入槽
    target.cluster("setslot",slot,"importing",source.nodeId);
    # 目標節點準備全出槽
    source.cluster("setslot",slot,"migrating",target.nodeId);
    while true :
        # 批量從源節點獲取鍵
        keys = source.cluster("getkeysinslot",slot,pipeline_size);
        if keys.length == 0:
            # 鍵列表為空時，退出循環
            break;
        # 批量遷移鍵到目標節點
        source.call("migrate",target.host,target.port,"",0,timeout,"keys",keys);
        # 向集群所有主節點通知槽被分配給目標節點
        for node in nodes:
            if node.flag == "slave":
                continue;
            node.cluster("setslot",slot,"node",target.nodeId);

(3) 將 9001 的槽 4096 遷移到 9007 中

準備數據

192.168.11.40:9001> set key:test:5028 value:5028
192.168.11.40:9001> set key:test:68253 value:68253

目標節點準備工作

192.168.11.40:9007> cluster nodes
8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc 192.168.11.40:9001@19001 master - 0 1620928869000 2 connected 0-5461
bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d 192.168.11.40:9007@19007 myself,master - 0 1620928868000 0 connected
...
# 9007 準備導入槽 4096 的數據
192.168.11.40:9007> cluster setslot 4096 importing 8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc
OK
# 槽 4096 已開啟導入狀態
192.168.11.40:9007> cluster nodes
bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d 192.168.11.40:9007@19007 myself,master - 0 1620928959000 0 connected [4096-<-8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc]
...

源節點準備工作

# 9001 準備導出槽 4096 數據
192.168.11.40:9001> cluster setslot 4096 migrating bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d
OK
# 槽 4096 已開啟導出狀態
192.168.11.40:9001> cluster nodes
8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc 192.168.11.40:9001@19001 myself,master - 0 1620929179000 2 connected 0-5461 [4096->-bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d]
...

導出數據

# 獲取 100 個屬於槽 4096 的鍵
192.168.11.40:9001> cluster getkeysinslot 4096 100
1) "key:test:5028"
2) "key:test:68253"
# 查看數據
192.168.11.40:9001> mget key:test:5028 key:test:68253
1) "value:5028"
2) "value:68253"
# 遷移這2個鍵：migrate 命令保證瞭每個鍵遷移過程的原子性
192.168.11.40:9001> migrate 192.168.11.40 9007 "" 0 5000 keys key:test:5028 key:test:68253
OK
# 再次查詢會報 ASK 錯誤：引導客戶端找到數據所在的節點
192.168.11.40:9001> mget key:test:5028 key:test:68253
(error) ASK 4096 192.168.11.40:9007

通知所有主節點：槽 4096 指派給 9007

192.168.11.40:9001> cluster setslot 4096 node bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d
192.168.11.40:9002> cluster setslot 4096 node bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d
192.168.11.40:9003> cluster setslot 4096 node bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d
192.168.11.40:9007> cluster setslot 4096 node bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d

查看最終結果

192.168.11.40:9007> cluster nodes
8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc 192.168.11.40:9001@19001 master – 0 1620931743303 7 connected 0-4095 4097-5461
bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d 192.168.11.40:9007@19007 myself,master – 0 1620931741000 8 connected 4096
…

2. 使用 redis-cli 擴容

redis-cli 提供瞭槽重分片功能

reshard 命令參數詳解：

reshard    host:port  # 集群內任意節點地址
           --cluster-from <arg>  # 源節點id，逗號分隔
           --cluster-to <arg>  # 目標節點id，隻有一個
           --cluster-slots <arg>  # 遷移多少個槽
           --cluster-yes  # 確認執行reshard
           --cluster-timeout <arg>  # 每次 migrate 操作的超時時間，默認 60000ms
           --cluster-pipeline <arg>  # 每次批量遷移鍵的數量，默認 10
           --cluster-replace

將 9001、9002、9003 的槽遷移到 9007，共遷移 4096 個

$ /usr/local/redis/bin/redis-cli --cluster reshard 192.168.11.40:9001
M: 8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc 192.168.11.40:9001
   slots:[0-4095],[4097-5461] (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
M: bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d 192.168.11.40:9007
   slots:[4096] (1 slots) master
...
[OK] All 16384 slots covered.
How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? 4096
What is the receiving node ID? bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d
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: 8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc
Source node #2: 5786e3237c7fa413ed22465d15be721f95e72cfa
Source node #3: 85ceb9826e8aa003169c46fb4ba115c72002d4f9
Source node #4: done
    Moving slot 0 from 8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc
    ...
    Moving slot 12287 from 85ceb9826e8aa003169c46fb4ba115c72002d4f9
Do you want to proceed with the proposed reshard plan (yes/no)? yes
Moving slot 0 from 192.168.11.40:9001 to 192.168.11.40:9007:
...
Moving slot 12287 from 192.168.11.40:9003 to 192.168.11.40:9007:

查看最終結果

192.168.11.40:9007> cluster nodes
8ccdb0963411ebd05ce21952bdd4b7597825afdc 192.168.11.40:9001@19001 master – 0 1620933907753 7 connected 1366-4095 4097-5461
5786e3237c7fa413ed22465d15be721f95e72cfa 192.168.11.40:9002@19002 master – 0 1620933906733 1 connected 6827-10922
85ceb9826e8aa003169c46fb4ba115c72002d4f9 192.168.11.40:9003@19003 master – 0 1620933905000 3 connected 12288-16383
bb1bb0f5f9e0ee67846ba8ec94a38da700e2e80d 192.168.11.40:9007@19007 myself,master – 0 1620933900000 8 connected 0-1365 4096 5462-6826 10923-12287
…

檢查節點之間槽的均衡性

$ /usr/local/redis/bin/redis-cli --cluster rebalance 192.168.11.40:9001
...
[OK] All 16384 slots covered.
*** No rebalancing needed! All nodes are within the 2.00% threshold.

遷移之後所有主節點負責的槽數量差異在 2% 以內，因此集群節點數據相對均勻，無需調整

二、集群收縮

1. 遷移槽

執行 reshard 三次，將數據平均分佈到其他三個節點

2. 忘記節點

60s 內對所有節點執行如下操作：（不建議）

# 執行後，會將該節點加入禁用列表（持續 60s），不再向其發送 Gossip 消息
cluster forget {nodeId}

建議使用 redis-cli 的 del-node 忘記節點：

/usr/local/redis/bin/redis-cli --cluster del-node {host:port} {nodeId}

內部偽代碼

def delnode_cluster_cmd(downNode):
    # 下線節點不允許包含slots
    if downNode.slots.length != 0
        exit 1
    end
    # 向集群內節點發送cluster forget
    for n in nodes:
        if n.id == downNode.id:
            # 不能對自己做forget操作
            continue;
        # 如果下線節點有從節點則把從節點指向其他主節點
        if n.replicate && n.replicate.nodeId == downNode.id :
            # 指向擁有最少從節點的主節點
            master = get_master_with_least_replicas();
            n.cluster("replicate",master.nodeId);
        #發送忘記節點命令
        n.cluster('forget',downNode.id)
    # 節點關閉
    downNode.shutdown();

若主從節點都要下線，先下線從，避免全量復制

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