Redis 从入门到精通【进阶篇】之高可用集群(Redis Cluster)详解

0. 前言

前面两个章节我们学习关于Redis 中的高可用 Redis主从复制. 以及Redis的哨兵模式（sentinel）。我们能够发现上面两种方式主要解决读写分离，备份冗余，以及故障恢复，故障转移。但是无法解决redis的性能问题，我们如果做过测试会发现 redis在单节点的情况下，只能将CPU的一个核心跑满。这主要是因为由于Redis是单线程的，无法充分利用多核CPU的优势，因此在高并发场景下可能会出现性能瓶颈。为了解决这个问题，Redis提供了集群技术，可以将数据分布在多个节点上，实现分布式存储和高并发读写。本文将详细介绍Redis集群技术的原理、设计和实现。

设计目标

• 高可扩展性：能够支持大规模集群，可以容易地添加或删除节点。
• 高可用性：能够自动检测节点故障，并进行自动故障转移，保证系统的可用性。
• 高性能：能够支持高并发读写操作。
• 避免合并操作：不需要在节点间进行数据合并操作，避免了复杂性和性能问题。

在Redis Cluster中，客户端和服务器分别扮演不同的角色。客户端将请求发送到集群中的某个节点，节点会将请求转发到正确的节点上，最终返回结果给客户端。

核心概念

• Keys hash tags：用于将多个key映射到同一个hash slot上，以便于管理和分片。
• Hash Slot：将所有的key分布到16384个hash slot中，每个节点负责管理其中一部分hash slot。
• Cluster nodes属性：每个节点都有一个唯一的ID，包括IP地址和端口号，以及节点的状态信息。
• Cluster总线：用于节点间的通信，通过发布/订阅模式实现。
• 节点握手请求：用于节点间的信息交换和确认。
• Moved 重定向：用于将请求重定向到正确的节点上。
• ASK 重定向：用于临时重定向请求到其他节点上，直到数据槽的负责节点变回原节点。
• smart客户端状态检测及维护：客户端会定期检测所有节点的状态，以便及时发现节点故障。
• Gossip协议：用于节点间的状态维护和信息交换。
• 故障恢复（Failover）：当一个节点故障时，集群会自动将其故障转移至其他节点上。
• 扩容&缩容：可以动态地添加或删除节点。

1. 架构设计和原理

Redis Cluster的架构设计主要包括以下几个方面：

1.1. 数据分片

Redis Cluster将所有的key分布到16384个hash slot中，每个节点负责管理其中一部分hash slot。这种分片方式可以保证数据的一致性和高可用性，同时也避免了数据合并的复杂性和性能问题。

Redis集群中的数据分片是指将数据分散存储在不同的节点上，以实现数据的横向扩展和高可用性。Redis集群的数据分片采用了一种类似于哈希的算法，即将key通过哈希函数映射到不同的槽位上，然后将槽位分配给不同的节点进行存储。Redis集群中的数据分片主要包括以下几个步骤：

1. 计算key的哈希值

在将一个key存储到Redis集群中时，首先需要计算该key的哈希值。可以使用Redis Cluster提供的crc16算法来计算key的哈希值，该算法可以将key映射到一个0~16383之间的整数值。

2. 将key分配到槽位上

计算出key的哈希值后，将key分配到对应的槽位上。Redis集群中共有16384个槽位，每个槽位都对应一个整数值。可以使用Redis Cluster提供的slots命令来查看当前槽位的分配情况。

3. 将槽位分配给节点

将槽位分配给不同的节点进行存储。可以使用Redis Cluster提供的addslots和delslots命令来增加或删除节点的槽位分配。需要注意的是，每个槽位只能分配给一个节点进行存储，如果多个节点都想存储同一个槽位的数据，就需要进行数据复制和同步。

4. 数据复制和同步

为了保证数据的高可用性和一致性，Redis集群会自动进行数据复制和同步。每个主节点都有一个或多个从节点，主节点会将自己的数据同步给从节点，以保证数据的备份和冗余。当一个主节点失效时，集群会自动将一个从节点升级为新的主节点，以确保服务的可用性。

Redis集群中的数据分片是通过哈希算法将key映射到不同的槽位上，然后将槽位分配给不同的节点进行存储，以实现数据的横向扩展和高可用性。需要注意的是，在进行数据分片操作之前，需要评估业务需求和集群规模，以选择合适的分片方案，以确保系统的可用性和性能。

2. 节点间通信

Redis节点之间通信主要通过Gossip协议和Redis Cluster Bus两种方式。

• Gossip协议

Gossip协议是一种去中心化的协议，它通过节点之间相互通信，实现集群状态的共享和维护。每个节点定期向其他节点发送状态信息，其他节点也会将自己的状态信息发送给该节点，这样每个节点都可以知道整个集群的状态。如果某个节点的状态发生了变化，它会向其他节点广播通知，其他节点也会相应地更新自己的状态。

Redis Cluster通过Gossip协议实现节点间的状态共享和维护。每个节点会定期向其他节点发送PING消息，其他节点会返回PONG消息，以确认自己的状态。如果某个节点长时间未收到其他节点的PONG消息，就会认为该节点已经失效，将该节点从集群中移除，并进行故障转移。

• Redis Cluster Bus

Redis Cluster Bus是一种基于消息传递的方式，用于节点之间的通信和数据同步。每个节点都有一个专门用于通信的虚拟节点，称为"bus节点"。当一个节点需要与其他节点通信时，它会向bus节点发送消息，bus节点会将该消息转发给目标节点。Redis Cluster Bus使用的是TCP协议，可以保证消息传递的可靠性和顺序性。

Redis Cluster通过Redis Cluster Bus实现数据的复制和同步。当一个节点需要将数据同步到其他节点时，它会将数据发送到bus节点，bus节点会将该数据转发给目标节点。目标节点收到数据后，会进行数据复制和同步，以保证数据的一致性。

3. 节点角色

在Redis Cluster中，客户端和服务器分别扮演不同的角色。客户端将请求发送到集群中的某个节点，节点会将请求转发到正确的节点上，最终返回结果给客户端。节点有以下两种角色：

（1）Master节点：负责管理一部分hash slot和对应的数据。每个Master节点都有多个Slave节点作为备份，当Master节点故障时，集群会自动将其故障转移至一个Slave节点上。

（2）Slave节点：是Master节点的备份节点，负责复制Master节点的数据。当Master节点故障时，集群会自动将其故障转移至一个Slave节点上。

4. 节点状态维护

在Redis Cluster中，客户端会定期检测所有节点的状态，以便及时发现节点故障。节点之间通过Gossip协议进行状态维护和信息交换。Gossip协议是一种基于随机选择节点的协议，它能够快速地将信息广播给其他节点。

5. 故障转移

当一个Master节点故障时，集群会自动将其故障转移至一个Slave节点上。故障转移的过程包括以下几个步骤：
（1）检测Master节点故障。
（2）选举一个新的Master节点。
（3）将新的Master节点配置为原Master节点的备份节点。
（4）将原Master节点的数据复制到新的Master节点上。
（5）将原Master节点的Slave节点切换到新的Master节点上。

6. 扩容和缩容

Redis Cluster可以动态地添加或删除节点。扩容和缩容的过程包括以下几个步骤：

（1）扩容：将新节点加入集群中，并将其负责的hash slot分配给它。

（2）缩容：将要删除的节点的hash slot分配给其他节点，并将其从集群中移除。
Redis集群缩容过程主要包括以下步骤：

1. 数据迁移

在进行Redis集群缩容操作之前，需要将要删除的节点上的数据迁移到其他节点上，以确保数据的完整性和一致性。可以使用Redis Cluster提供的reshard命令或者rebalance命令来实现数据的迁移。这些命令会自动将要删除的节点上的key分配到其他节点上，然后进行数据复制和同步，以确保数据的一致性。

2. 删除节点

当数据迁移完成后，可以执行删除节点的操作。可以使用Redis Cluster提供的del-node命令来删除节点。在执行删除节点操作之前，需要确保该节点上的所有数据已经成功迁移，并且该节点已经从集群中移除。

3. 故障转移

在进行Redis集群缩容操作之后，需要确保集群的高可用性，即当某个节点出现故障时，集群可以自动将从节点升级为新的主节点，以确保服务的可用性。可以使用Redis Cluster提供的failover命令或者手动执行故障转移操作。需要注意的是，在删除节点之前，需要确保故障转移操作已经完成，并且新的主节点已经被选举出来。

4. 集群状态监控

在进行Redis集群缩容操作期间，需要密切关注集群的状态和性能指标，以确保操作的顺利进行。可以使用Redis Cluster提供的cluster info命令或者其他监控工具来监控Redis集群的运行情况。

2. 总结

通过本文的介绍，我们详细了解了Redis进阶中的高可用性方面，特别是哨兵机制（Redis Sentinel）。我们了解了哨兵机制的组建过程、监控Redis库主库下线的判定方式、选举新主库的选出方法以及故障的转移过程。对我们学习和面试都有一定的帮助。

参考文章：

1. Redis Sentinel Documentation: https://redis.io/topics/sentinel
2. 蒋德钧 老师的《Redis 核心技术与实战-08 | 哨兵集群：哨兵挂了，主从库还能切换吗》

3. Redis从入门到精通系列文章

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4. Redis Cluster面试题

根据上面的学习，我们来简答一下常见的Redis高可用相关面试题

4.1. Redis Cluster如何进行扩容和缩容？

答：Redis Cluster的扩容和缩容操作都需要进行数据迁移和故障转移等操作。对于扩容操作，可以使用Redis Cluster提供的reshard或者rebalance命令来实现数据迁移。对于缩容操作，需要先将要删除的节点上的数据迁移到其他节点上，然后执行删除节点的操作。在进行扩容和缩容操作之前，需要仔细评估业务需求和集群规模，以确保操作的顺利进行。

4.2. Redis Cluster如何进行故障转移？

答：Redis Cluster的故障转移是通过选举新的主节点来实现的。当一个主节点失效时，集群会自动将一个从节点升级为新的主节点，然后将该节点上的数据同步给其他从节点，以确保数据的一致性和可用性。

4.3. Redis Cluster如何进行读写分离？

答：Redis Cluster通过将节点分为主节点和从节点来实现读写分离。主节点负责处理写操作和部分读操作，而从节点只负责处理读操作。客户端可以根据自己的需求选择连接到主节点或从节点进行读写操作。

4.4. Redis Cluster如何保证数据的一致性？

答：Redis Cluster通过使用主从复制和故障转移机制来保证数据的一致性。每个主节点都有一个或多个从节点，主节点会将自己的数据同步给从节点，以保证数据的备份和冗余。当一个主节点失效时，集群会自动将一个从节点升级为新的主节点，以确保服务的可用性和数据的一致性。

4.5. Redis Cluster如何处理网络分区？

答：Redis Cluster使用Quorum机制来处理网络分区。当网络分区发生时，集群会自动将故障节点标记为脱离集群状态，直到网络分区解除为止。在网络分区期间，只有Quorum数量的节点可以继续工作，以避免数据的分裂和冲突。

4.6. Redis Cluster如何进行数据备份？

答：Redis Cluster可以通过使用主从复制机制来进行数据备份。每个主节点都有一个或多个从节点，主节点会将自己的数据同步给从节点，以保证数据的备份和冗余。可以使用Redis Cluster提供的bgsave命令来进行手动备份，也可以使用Redis Cluster提供的AOF持久化来进行实时备份。

4.7. Redis Cluster如何进行性能优化？

答：Redis Cluster的性能优化可以从多个方面入手，包括配置优化、数据结构优化、网络优化和硬件优化等。可以使用Redis Cluster提供的性能监控工具来评估系统的性能，并根据实际情况进行调整和优化。

大家好，我是冰点，今天的高可用集群模式(Redis Cluster)详解，全部内容就是这些。如果你有疑问或见解可以在评论区留言。