詳解三分鐘快速搭建分佈式高可用的Redis集群

這裡的Redis集群指的是Redis Cluster,它是Redis在3.0版本正式推出的專用集群方案,有效地解決瞭Redis分佈式方面的需求。當單機內存、並發、流量等遇到瓶頸的時候,可以采用這種Redis Cluster方案進行解決。

分區規則

Redis Cluster采用虛擬槽(slot)進行數據分區,即使用分散度良好的哈希函數把所有鍵映射到一個固定范圍的整數集合裡,這裡的整數就是槽(slot)。Redis Cluster槽的范圍是0~16383,計算公式:slot=CRC16(key) & 16383。

白嫖小貼士:CRC16是一種高質量的哈希算法,可以使每個槽所映射的鍵通常比較均勻。

當集群中有3個節點時,每個節點平均大概負責5461個槽以及槽所映射的鍵值數據。這樣一來,可以解耦數據與節點之間的關系,簡化節點擴容和縮容的難度。節點自身維護槽的映射關系,不需要客戶端或代理服務維護分區信息。

不過,Redis Cluster相對於單機還是存在一些限制的,比如:

  • 批量操作鍵支持有限,僅支持具有相同槽的鍵進行批量操作。
  • 事務操作鍵支持有限,僅支持在同一個節點上多個鍵的事務操作。
  • 不支持多個數據空間。單機Redis可以支持16個數據庫,而Cluster模式下隻能使用一個數據庫空間。

扯瞭這麼多Redis Cluster的分區規則,下面我們開始步入正題。

手動搭建

把Redis Cluster搭建起來總共幾步?答:三步!第一步把冰箱門打開。第二步把大象關進去。第三步把冰箱門帶上。不好意思,段子暴露年齡瞭。集群搭建需要以下三個步驟:

  • 準備節點。
  • 節點握手。
  • 分配槽。

Redis Cluster由多個節點組成,節點數量至少有6個才能組成一個完整高可用的集群,其中有3個主節點和3個從節點,我們就以此為例搭建一個Redis Cluster。

準備節點

首先,為6個節點(同一臺機器上的6380、6381、6382、6383、6384、6385端口)分別創建配置文件,以6380端口的節點為例:

# 節點端口
port 6380
#日志文件
logfile "log/redis-6380.log"
# 開啟集群模式
cluster-enabled yes
# 集群配置文件
cluster-config-file "data/nodes-6380.conf"

保持文件名為redis-6380.conf,其他節點的配置文件替換成各自的端口。準備好配置文件後啟動所有節點,命令如下:

src/redis-server conf/redis-6380.conf &
src/redis-server conf/redis-6381.conf &
src/redis-server conf/redis-6382.conf &
src/redis-server conf/redis-6383.conf &
src/redis-server conf/redis-6384.conf &
src/redis-server conf/redis-6385.conf &

檢測日志是否正確,以下是6380端口的節點的日志:

 # oO0OoO0OoO0Oo Redis is starting oO0OoO0OoO0Oo
 # Redis version=4.0.14, bits=64, commit=00000000, modified=0, pid=3031, just started
 # Configuration loaded
 * No cluster configuration found, I'm df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab
 * Running mode=cluster, port=6380.

6380端口的節點啟動成功,第一次啟動時如果沒有集群配置文件,Redis會自動創建一個。6380端口的節點創建的集群配置文件如下:

df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab :[email protected] myself,master - 0 0 0 connected
vars currentEpoch 0 lastVoteEpoch 0

集群文件中記錄的集群的狀態,這裡最重要的是節點ID,它是一個40位的16進制字符串,用於唯一標識集群中的這個節點。同樣,也可以通過cluster nodes命令查看集群節點狀態。比如在6380端口的節點上執行命令:

127.0.0.1:6380> cluster nodes
df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab :[email protected] myself,master - 0 0 0 connected

目前,我們已經成功啟動瞭6個節點,但是它們隻能識別自己的節點信息,互相之間並不認識。下面我們通過節點握手讓這6個節點互相之間建立聯系從而組成一個集群。

節點握手

節點握手是一些運行在集群模式下的節點通過Gossip協議互相通信,達到感知彼此的過程。

白嫖小貼士:Gossip協議是基於流行病傳播方式的節點或者進程之間信息交換的協議,在分佈式系統中被廣泛使用。

節點握手通過客戶端執行cluster meet命令實現,它是一個異步命令,執行之後立刻返回,在Redis內部異步發起與目標節點的握手通信,該命令的語法如下:

cluster meet 目標節點IP 目標節點端口

把6個節點加到一個集群中:

127.0.0.1:6380> cluster meet 127.0.0.1 6381
OK
127.0.0.1:6380> cluster meet 127.0.0.1 6382
OK
127.0.0.1:6380> cluster meet 127.0.0.1 6383
OK
127.0.0.1:6380> cluster meet 127.0.0.1 6384
OK
127.0.0.1:6380> cluster meet 127.0.0.1 6385
OK

隻需要在集群中任意節點上執行cluster meet命令加入新的節點,握手狀態會通過消息在集群中傳播,其他節點也會自動發現新節點並與之發起握手流程。

我們再執行一下cluster nodes命令,檢查一下6個節點是否已經組成集群:

127.0.0.1:6380> cluster nodes
1e1f45677d7b9b0130d03193f0bcec34578ac47d 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586617919021 5 connected
df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab 127.0.0.1:[email protected] myself,master - 0 1586617916000 2 connected
5846b66ebe4fb4a5dcfd035652cc471f7e412752 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586617917005 1 connected
a435cf98c3444b0b110a224401e397a107c453ef 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586617914988 4 connected
71e0e9e9a6f0c7c85dbe0d396846a9072625c5e8 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586617918013 3 connected
e25590603c7a254cce43aa8437861c5c425d753d 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586617916000 0 connected

可以看到,6個節點都在集群中瞭。不過,此時因為還沒有為集群中的節點分配槽,集群還處於下線狀態,所有的數據讀寫都是被禁止的。比如:

127.0.0.1:6380> set onemore study
(error) CLUSTERDOWN Hash slot not served

接下來,我們為集群中的節點分配槽。

分配槽

我們把6380、6382、6384端口的節點作為主節點,負責處理槽和相關數據;6381、6383、6385端口的節點分別作為從節點,負責故障轉移。先把16384個槽平均分配給6380、6382、6384端口的節點,為節點分配槽是通過cluster addslots命令實現:

# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6380 cluster addslots {0..5461}
OK
# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6382 cluster addslots {5462..10922}
OK
# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6384 cluster addslots {10923..16383}
OK

我們再執行一下cluster nodes命令,檢查一下槽是否已經分配:

127.0.0.1:6380> cluster nodes
1e1f45677d7b9b0130d03193f0bcec34578ac47d 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586619468000 5 connected
df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab 127.0.0.1:[email protected] myself,master - 0 1586619464000 2 connected 0-5461
5846b66ebe4fb4a5dcfd035652cc471f7e412752 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586619467000 1 connected
a435cf98c3444b0b110a224401e397a107c453ef 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586619467000 4 connected 10923-16383
71e0e9e9a6f0c7c85dbe0d396846a9072625c5e8 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586619467348 3 connected
e25590603c7a254cce43aa8437861c5c425d753d 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586619468355 0 connected 5462-10922

再使用cluster replicate命令把一個節點變成從節點.,這個命令必須在從節點上運行,它的語法是:

cluster replicate 主節點ID

把6381、6383、6385端口的節點變成對應6380、6382、6384端口的節點的從節點:

# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6381
127.0.0.1:6381> cluster replicate df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab
OK
127.0.0.1:6381> exit
# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6383
127.0.0.1:6383> cluster replicate e25590603c7a254cce43aa8437861c5c425d753d
OK
127.0.0.1:6383> exit
# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p 6385
127.0.0.1:6385> cluster replicate a435cf98c3444b0b110a224401e397a107c453ef
OK
127.0.0.1:6385> exit

我們再執行一下cluster nodes命令,檢查一下集群狀態和主從關系:

127.0.0.1:6380> cluster nodes
df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab 127.0.0.1:[email protected] myself,master - 0 1586620148000 2 connected 0-5461
5846b66ebe4fb4a5dcfd035652cc471f7e412752 127.0.0.1:[email protected] slave df1ac987f47dea35f1d0a83c3b405f0ef86892ab 0 1586620150000 2 connected
e25590603c7a254cce43aa8437861c5c425d753d 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586620151000 0 connected 5462-10922
71e0e9e9a6f0c7c85dbe0d396846a9072625c5e8 127.0.0.1:[email protected] slave e25590603c7a254cce43aa8437861c5c425d753d 0 1586620152220 3 connected
a435cf98c3444b0b110a224401e397a107c453ef 127.0.0.1:[email protected] master - 0 1586620150000 4 connected 10923-16383
1e1f45677d7b9b0130d03193f0bcec34578ac47d 127.0.0.1:[email protected] slave a435cf98c3444b0b110a224401e397a107c453ef 0 1586620149000 5 connected

自此,RedisCluster已經手動搭建完成。手動搭建可以理解集群建立的流程和細節,不過大傢也會發現手動搭建有很多步驟,當集群的節點比較多的時候,肯定會讓人頭大。所以Redis官方提供瞭redis-trib.rb工具,可以讓我們快速地搭建集群。

自動搭建

redis-trib.rb是使用Ruby開發的Redis Cluster的管理工具,不需要額外下載,默認位於源碼包的src目錄下,但因為該工具是用Ruby開發的,所以需要準備相關的依賴環境。

環境準備

安裝Ruby:

yum -y install zlib-devel
wget https://cache.ruby-lang.org/pub/ruby/2.5/ruby-2.5.1.tar.gz
tar xvf ruby-2.5.1.tar.gz
cd ruby-2.5.1/
./configure -prefix=/usr/local/ruby
make
make install
cd /usr/local/ruby/
cp bin/ruby /usr/local/bin
cp bin/gem /usr/local/bin

安裝rubygem redis依賴:

wget http://rubygems.org/downloads/redis-3.3.0.gem
gem install -l redis-3.3.0.gem

安裝redis-trib.rb:

cp src/redis-trib.rb /usr/local/bin

執行redis-trib.rb命令確認一下環境是否準備正確:

# redis-trib.rb help
Usage: redis-trib <command> <options> <arguments ...>

 create     host1:port1 ... hostN:portN
         --replicas <arg>
 check      host:port
 info      host:port
 fix       host:port
         --timeout <arg>
 reshard     host:port
         --from <arg>
...此處省略一萬個字...

搭建集群

像前面的內容講的,準備好節點配置並啟動:

src/redis-server conf/redis-7380.conf &
src/redis-server conf/redis-7381.conf &
src/redis-server conf/redis-7382.conf &
src/redis-server conf/redis-7383.conf &
src/redis-server conf/redis-7384.conf &
src/redis-server conf/redis-7385.conf &

使用redis-trib.rb create命令完成節點握手和槽分配的工作,命令如下:

redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7380 127.0.0.1:7382 127.0.0.1:7384 127.0.0.1:7381 127.0.0.1:7383 127.0.0.1:7385

其中–replicas參數用來指定集群中每個主節點有幾個從節點,這裡設置的是1。命令執行後,會首先給出主從節點的分配計劃:

>>> Creating cluster
>>> Performing hash slots allocation on 6 nodes...
Using 3 masters:
127.0.0.1:7380
127.0.0.1:7382
127.0.0.1:7384
Adding replica 127.0.0.1:7383 to 127.0.0.1:7380
Adding replica 127.0.0.1:7385 to 127.0.0.1:7382
Adding replica 127.0.0.1:7381 to 127.0.0.1:7384
>>> Trying to optimize slaves allocation for anti-affinity
[WARNING] Some slaves are in the same host as their master
M: c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79 127.0.0.1:7380
  slots:0-5460 (5461 slots) master
M: 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922 127.0.0.1:7382
  slots:5461-10922 (5462 slots) master
M: 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a 127.0.0.1:7384
  slots:10923-16383 (5461 slots) master
S: 6f7dd93973a8332305831e6b7b5e2c54c15b3b51 127.0.0.1:7381
  replicates 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a
S: 03e01f82a935ed7f977af092e6a9cb71057df68a 127.0.0.1:7383
  replicates c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79
S: 2cf3883e974a709b7070d6c4d7c528d9fa813358 127.0.0.1:7385
  replicates 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922
Can I set the above configuration? (type 'yes' to accept):

如果我們同意這份計劃就輸入yes,之後就會開始執行節點握手和槽分配,輸入如下:

>>> Nodes configuration updated
>>> Assign a different config epoch to each node
>>> Sending CLUSTER MEET messages to join the cluster
Waiting for the cluster to join....
>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7380)
M: c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79 127.0.0.1:7380
  slots:0-5460 (5461 slots) master
  1 additional replica(s)
M: 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922 127.0.0.1:7382
  slots:5461-10922 (5462 slots) master
  1 additional replica(s)
S: 2cf3883e974a709b7070d6c4d7c528d9fa813358 127.0.0.1:7385
  slots: (0 slots) slave
  replicates 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922
S: 03e01f82a935ed7f977af092e6a9cb71057df68a 127.0.0.1:7383
  slots: (0 slots) slave
  replicates c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79
S: 6f7dd93973a8332305831e6b7b5e2c54c15b3b51 127.0.0.1:7381
  slots: (0 slots) slave
  replicates 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a
M: 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a 127.0.0.1:7384
  slots:10923-16383 (5461 slots) master
  1 additional replica(s)
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.

集群創建完成後,還可以使用redis-trib.rb check命令檢查集群是否創建成功,具體命令如下:

# redis-trib.rb check 127.0.0.1:7380
>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7380)
M: c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79 127.0.0.1:7380
  slots:0-5460 (5461 slots) master
  1 additional replica(s)
M: 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922 127.0.0.1:7382
  slots:5461-10922 (5462 slots) master
  1 additional replica(s)
S: 2cf3883e974a709b7070d6c4d7c528d9fa813358 127.0.0.1:7385
  slots: (0 slots) slave
  replicates 58980a81b49de31383802d7d21d6782881678922
S: 03e01f82a935ed7f977af092e6a9cb71057df68a 127.0.0.1:7383
  slots: (0 slots) slave
  replicates c25675d021c377c91f860986025e3779d89ede79
S: 6f7dd93973a8332305831e6b7b5e2c54c15b3b51 127.0.0.1:7381
  slots: (0 slots) slave
  replicates 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a
M: 3f00a37d2c7a5ea40671c8f2934f66d059157a4a 127.0.0.1:7384
  slots:10923-16383 (5461 slots) master
  1 additional replica(s)
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.

可以看到,所有的槽都已分配到節點上,大功告成!

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