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2024-08-26
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07Redis集群(cluster)

# 1.是什么

定义

由于数据量过大，单个Master复制集难以承担，因此需要对多个复制集进行集群，形成水平扩展每个复制集只负责存储整个数据集的一部分，这就是Redis的集群，其作用是提供在多个Redis节点间共享数据的程序集。

官网 (opens new window)

  • Redis集群是一个提供在多个Redis节点间共享数据的程序集
  • Redis集群可以支持多个Master

# 2.能干什么

  • Redis集群支持多个Master，每个Master又可以挂载多个Slave
  • 由于Cluster自带Sentinel的故障转移机制，内置了高可用的支持，无需再去使用哨兵功能
  • 客户端与Redis的节点连接，不再需要连接集群中所有的节点，只需要任意连接集群中的一个可用节点即可
  • 槽位slot负责分配到各个物理服务节点，由对应的集群来负责维护节点、插槽和数据之间的关系

# 3.集群算法-分片-槽位slot

Redis cluster specification | Docs (opens new window)

# 3.1 redis集群的槽位slot

# 3.2 redis集群的分片

分片是什么 使用Redis集群时我们会将存储的数据分散到多台redis机器上，这称为分片。简言之，集群中的每个Redis实例都被认为是整个数据的一个分片。
如何找到给定key的分片 为了找到给定key的分片，我们对key进行CRC16(key)算法处理并通过对总分片数量取模。然后，使用确定性哈希函数，这意味着给定的key将多次始终映射到同一个分片，我们可以推断将来读取特定key的位置。

# 3.3 他两的优势

最大优势，方便扩缩容和数据分派查找

# 3.4 slot槽位映射，一般业界有3种解决方案

# 3.4.1 哈希取余分区

  • 2亿条记录就是2亿个k,v，我们单机不行必须要分布式多机，假设有3台机器构成一个集群，用户每次读写操作都是根据公式：hash(key) % N个机器台数，计算出哈希值，用来决定数据映射到哪一个节点上。
  • 优点: 简单粗暴，直接有效，只需要预估好数据规划好节点，例如3台、8台、10台，就能保证一段时间的数据支撑。使用Hash算法让固定的一部分请求落到同一台服务器上，这样每台服务器固定处理一部分请求（并维护这些请求的信息），起到负载均衡+分而治之的作用。
  • 缺点：
    • 原来规划好的节点，进行扩容或者缩容就比较麻烦了额，不管扩缩，每次数据变动导致节点有变动，映射关系需要重新进行计算，在服务器个数固定不变时没有问题，如果需要弹性扩容或故障停机的情况下，原来的取模公式就会发生变化：Hash(key)/3会变成Hash(key) /?。此时地址经过取余运算的结果将发生很大变化，根据公式获取的服务器也会变得不可控。某个redis机器宕机了，
    • 由于台数数量变化，会导致hash取余全部数据重新洗牌。

# 3.4.2 一致性哈希算法分区

  • 是什么：

    一致性Hash算法背景：　　一致性哈希算法在1997年由麻省理工学院中提出的，设计目标是为了解决

    分布式缓存数据变动和映射问题，某个机器宕机了，分母数量改变了，自然取余数不OK了。

  • 能干什么：

    • 提出一致性Hash解决方案。
    • 目的是当服务器个数发生变动时，
    • 尽量减少影响客户端到服务器的映射关系

  • 3大步骤⭐

    • 算法构建一致性哈希环

      • 一致性哈希环。

      • 一致性哈希算法必然有个hash函数并按照算法产生hash值，这个算法的所有可能哈希值会构成一个全量集，这个集合可以成为一个hash空间[0,2^32-1]，这个是一个线性空间，但是在算法中，我们通过适当的逻辑控制将它首尾相连(0 = 2^32),这样让它逻辑上形成了一个环形空间。

      • 它也是按照使用取模的方法，前面笔记介绍的节点取模法是对节点（服务器）的数量进行取模。而一致性Hash算法是对2^32取模，简单来说，一致性Hash算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，如假设某哈希函数H的值空间为0-2^32-1（即哈希值是一个32位无符号整形），整个哈希环如下图：整个空间按顺时针方向组织，圆环的正上方的点代表0，0点右侧的第一个点代表1，以此类推，2、3、4、……直到2^32-1，也就是说0点左侧的第一个点代表2^32-1， 0和2^32-1在零点中方向重合，我们把这个由2^32个点组成的圆环称为Hash环。

    • redis服务器IP节点映射

      • 将集群中各个IP节点映射到环上的某一个位置。

      • 将各个服务器使用Hash进行一个哈希，具体可以选择服务器的IP或主机名作为关键字进行哈希，这样每台机器就能确定其在哈希环上的位置。假如4个节点NodeA、B、C、D，经过IP地址的哈希函数计算(hash(ip))，使用IP地址哈希后在环空间的位置如下：

      #

    • key落到服务器的落键规则

      • 当我们需要存储一个kv键值对时，首先计算key的hash值，hash(key)，将这个key使用相同的函数Hash计算出哈希值并确定此数据在环上的位置，从此位置沿环顺时针“行走”，第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器，并将该键值对存储在该节点上。
      • 如我们有Object A、Object B、Object C、Object D四个数据对象，经过哈希计算后，在环空间上的位置如下：根据一致性Hash算法，数据A会被定为到Node A上，B被定为到Node B上，C被定为到Node C上，D被定为到Node D上。

# 3.4.3 哈希槽分区⭐

# 1. 是什么

HASH_SLOT = CRC16(key) mod 16384

  • 1 为什么出现

哈希槽实质就是一个数组，数组[0,2^14 -1]形成hash slot空间。

  • 2 能干什么

解决均匀分配的问题，在数据和节点之间又加入了一层，把这层称为哈希槽（slot），用于管理数据和节点之间的关系，现在就相当于节点上放的是槽，槽里放的是数据。

槽解决的是粒度问题，相当于把粒度变大了，这样便于数据移动。哈希解决的是映射问题，使用key的哈希值来计算所在的槽，便于数据分配

  • 3 多少个hash槽

一个集群只能有16384个槽，编号0-16383（0-2^14-1）。这些槽会分配给集群中的所有主节点，分配策略没有要求。

集群会记录节点和槽的对应关系，解决了节点和槽的关系后，接下来就需要对key求哈希值，然后对16384取模，余数是几key就落入对应的槽里。HASH_SLOT = CRC16(key) mod 16384。以槽为单位移动数据，因为槽的数目是固定的，处理起来比较容易，这样数据移动问题就解决了。

# 2. 哈希槽计算

Redis 集群中内置了 16384 个哈希槽，redis 会根据节点数量大致均等的将哈希槽映射到不同的节点。当需要在 Redis 集群中放置一个 key-value时，redis先对key使用crc16算法算出一个结果然后用结果对16384求余数[ CRC16(key) % 16384]，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，也就是映射到某个节点上。如下代码，key之A 、B在Node2， key之C落在Node3上

# 3.集群的最大槽数是16384 ⭐

  • 为什么redis集群的最大槽数是16384个？

    Redis集群并没有使用一致性hash而是引入了哈希槽的概念。Redis 集群有16384个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽，集群的每个节点负责一部分hash槽。但为什么哈希槽的数量是16384（2^14）个呢？

    CRC16算法产生的hash值有16bit，该算法可以产生2^16=65536个值。换句话说值是分布在0~65535之间，有更大的65536不用为什么只用16384就够？作者在做mod运算的时候，为什么不mod65536，而选择mod16384？ HASH_SLOT = CRC16(key) mod 65536为什么没启用

    https://github.com/redis/redis/issues/2576

  • 说明1：正常的心跳数据包带有节点的完整配置，可以用幂等方式用旧的节点替换旧节点，以便更新旧的配置。这意味着它们包含原始节点的插槽配置，该节点使用2k的空间和16k的插槽，但是会使用8k的空间（使用65k的插槽）。同时，由于其他设计折衷，Redis集群不太可能扩展到1000个以上的主节点。因此16k处于正确的范围内，以确保每个主机具有足够的插槽，最多可容纳1000个矩阵，但数量足够少，可以轻松地将插槽配置作为原始位图传播。请注意，在小型群集中，位图将难以压缩，因为当N较小时，位图将设置的slot / N位占设置位的很大百分比。

  • 说明2：

    • (1)如果槽位为65536，发送心跳信息的消息头达8k，发送的心跳包过于庞大。在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为65536时，这块的大小是: 65536÷8÷1024=8kb。在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为16384时，这块的大小是: 16384÷8÷1024=2kb ，因为每秒钟，redis节点需要发送一定数量的ping消息作为心跳包，如果槽位为65536，这个ping消息的消息头太大了，浪费带宽。
    • (2)redis的集群主节点数量基本不可能超过1000个。集群节点越多，心跳包的消息体内携带的数据越多。如果节点过1000个，也会导致网络拥堵。因此redis作者不建议redis cluster节点数量超过1000个。 那么，对于节点数在1000以内的redis cluster集群，16384个槽位够用了。没有必要拓展到65536个。
    • (3)槽位越小，节点少的情况下，压缩比高，容易传输
    • Redis主节点的配置信息中它所负责的哈希槽是通过一张bitmap的形式来保存的，在传输过程中会对bitmap进行压缩，但是如果bitmap的填充率slots / N很高的话(N表示节点数)，bitmap的压缩率就很低。 如果节点数很少，而哈希槽数量很多的话，bitmap的压缩率就很低。

# 4.Redis集群不保证强一致性，这意味着在特定的条件下，Redis集群可能会丢掉一些被系统收到的写入请求命令

# 3.5 集群环境搭建⭐

# 3.5.1 3主3从redis集群配置

找3台真实虚拟机，各自新建

mkdir -p /myredis/cluster
1

新建6个独立的redis实例服务

  • 本次案例设计说明(ip会有变化)

  • IP：192.168.111.175+端口6381/端口6382

    vim  /myredis/cluster/redisCluster6381.conf
bind 0.0.0.0
daemonize yes
protected-mode no
port 6381
logfile "/myredis/cluster/cluster6381.log"
pidfile /myredis/cluster6381.pid
dir /myredis/cluster
dbfilename dump6381.rdb
appendonly yes
appendfilename "appendonly6381.aof"
requirepass 111111
masterauth 111111
 
# 集群配置
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-6381.conf
cluster-node-timeout 5000

vim  /myredis/cluster/redisCluster6382.conf


bind 0.0.0.0
daemonize yes
protected-mode no
port 6382
logfile "/myredis/cluster/cluster6382.log"
pidfile /myredis/cluster6382.pid
dir /myredis/cluster
dbfilename dump6382.rdb
appendonly yes
appendfilename "appendonly6382.aof"
requirepass 111111
masterauth 111111
 
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-6382.conf
cluster-node-timeout 5000
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  • IP：192.168.111.172+端口6383/端口6384

    vim  /myredis/cluster/redisCluster6383.conf

vim  /myredis/cluster/redisCluster6384.conf
    1
    2
    3

  • IP：192.168.111.174+端口6385/端口6386

    vim  /myredis/cluster/redisCluster6385.conf

vim  /myredis/cluster/redisCluster6386.conf
    1
    2
    3

  • 启动6台redis主机实例

    redis-server /myredis/cluster/redisCluster6381.conf
...
redis-server /myredis/cluster/redisCluster6386.conf
    1
    2
    3

通过redis-cli命令为6台机器构建集群关系

构建主从关系命令⭐

  • //注意，注意，注意自己的真实IP地址 //注意，注意，注意自己的真实IP地址

    redis-cli -a 111111 --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.111.175:6381 192.168.111.175:6382 192.168.111.172:6383 192.168.111.172:6384 192.168.111.174:6385 192.168.111.174:6386
    1

  • --cluster-replicas 1 表示为每个master创建一个slave节点

链接进入6381作为切入点，查看并检验集群状态

  • 链接进入6381作为切入点，查看节点状态

  • info replication

  • cluster info

  • cluster nodes

# 3.5.2 3主3从redis集群读写

  • 对6381新增两个key，看看效果如何

  • 为什么报错

    一定注意槽位的范围区间，需要路由到位，路由到位，路由到位，路由到位。

  • 如何解决

    加入参数-c，优化路由

  • 查看集群信息

  • 查看某个key该属于对应的槽位值，CLUSTER KEYSLOT 键名称

# 3.5.3主从容错切换迁移案例

  • 容错切换迁移

    • 主6381和从机切换，先停止主机6381

      • 6381主机停了，对应的真实从机上位
      • 6381作为1号主机分配的从机以实际情况为准，具体是几号机器就是几号

    • 再次查看集群信息,本次6381主6384从

      6381master假如宕机了，6384是否会上位成为了新的master?

    • 停止主机6381,再次查看集群信息

      6381宕机了，6384上位成为了新的master。

      备注：本次脑图笔记6381为主下面挂从6384。每次案例下面挂的从机以实际情况为准，具体是几号机器就是几号

    • 随后，6381原来的主机回来了，是否会上位？

      • 恢复前

      • 恢复后

        6381不会上位并以从节点形式回归

  • 集群不保证数据一致性100%OK，一定会有数据丢失情况，

    • Redis集群不保证强一致性，这意味着在特定的条件下，Redis集群可能会丢掉一些被系统收到的写入请求命令

  • 手动故障转移 or 节点从属调整该如何处理

    • 上面一换后6381、6384主从对调了，和原始设计图不一样了，该如何

    • 重新登陆6381机器

    • 常用命令

      • CLUSTER FAILOVER

# 3.5.4 主从扩容案例

  • 新建6387、6388两个服务实例配置文件+新建后启动

    • IP：192.168.111.174+端口6387/端口6388

      vim  /myredis/cluster/redisCluster6387.conf
bind 0.0.0.0
daemonize yes
protected-mode no
port 6387
logfile "/myredis/cluster/cluster6387.log"
pidfile /myredis/cluster6387.pid
dir /myredis/cluster
dbfilename dump6387.rdb
appendonly yes
appendfilename "appendonly6387.aof"
requirepass 111111
masterauth 111111

cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-6387.conf
cluster-node-timeout 5000

vim  /myredis/cluster/redisCluster6388.conf
bind 0.0.0.0
daemonize yes
protected-mode no
port 6388
logfile "/myredis/cluster/cluster6388.log"
pidfile /myredis/cluster6388.pid
dir /myredis/cluster
dbfilename dump6388.rdb
appendonly yes
appendfilename "appendonly6388.aof"
requirepass 111111
masterauth 111111
 
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-6388.conf
cluster-node-timeout 5000
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  • 启动87/88两个新的节点实例，此时他们自己都是master

    redis-server /myredis/cluster/redisCluster6387.conf
redis-server /myredis/cluster/redisCluster6388.conf
    1
    2

  • 将新增的6387节点(空槽号)作为master节点加入原集群

    • 将新增的6387作为master节点加入原有集群

    • redis-cli -a 密码 --cluster add-node 自己实际IP地址:6387 自己实际IP地址:6381

    • 6387 就是将要作为master新增节点

    • 6381 就是原来集群节点里面的领路人，相当于6387拜拜6381的码头从而找到组织加入集群

    • redis-cli -a 111111 --cluster add-node 192.168.111.174:6387 192.168.111.175:6381

    • 检查集群情况第1次

      redis-cli -a 密码 --cluster check 真实ip地址:6381
redis-cli -a 111111 --cluster check 192.168.111.175:6381
      1
      2

    • 重新分派槽号(reshard )

      • 重新分派槽号

      • 命令:redis-cli -a 密码 --credis-cli -a 密码 --cluster reshard 192.168.111.175:6381luster reshard IP地址:端口号

      • redis-cli -a 密码 --cluster reshard 192.168.111.175:6381

    • 检查集群情况第2次

      • 槽号分派说明

        为什么6387是3个新的区间，以前的还是连续？

        重新分配成本太高，所以前3家各自匀出来一部分，从6381/6383/6385三个旧节点分别匀出1364个坑位给新节点6387

    • 为主节点6387分配从节点6388

      • 命令：redis-cli -a 密码 --cluster add-node ip:新slave端口 ip:新master端口 --cluster-slave --cluster-master-id 新主机节点ID

      • redis-cli -a 111111 --cluster add-node 192.168.111.174:6388 192.168.111.174:6387 --cluster-slave --cluster-master-id 4feb6a7ee0ed2b39ff86474cf4189ab2a554a40f-------这个是6387的编号，按照自己实际情况

    • 检查集群情况第3次

      • redis-cli --cluster check 真实ip地址:6381

      • redis-cli -a 111111 --cluster check 192.168.111.175:6381

# 3.5.5 主从缩容案例

  • 目的：6387和6388下线

  • 检查集群情况第一次，先获得从节点6388的节点ID

    redis-cli -a 密码 --cluster check 192.168.111.174:6388
    1

  • 从集群中将4号从节点6388删除

    命令：redis-cli -a 密码 --cluster del-node ip:从机端口 从机6388节点ID
redis-cli -a 111111 --cluster del-node 192.168.111.174:6388 218e7b8b4f81be54ff173e4776b4f4faaf7c13da
    1
    2

    检查一下发现，6388被删除了，只剩下7台机器了。

  • 将6387的槽号清空，重新分配，本例将清出来的槽号都给6381

    redis-cli -a 111111 --cluster reshard 192.168.111.175:6381
    1

  • 检查集群情况第二次

    redis-cli -a 111111 --cluster check 192.168.111.175:6381
4096个槽位都指给6381，它变成了8192个槽位，相当于全部都给6381了，不然要输入3次，一锅端
    1
    2

  • 将6387删除

    命令：redis-cli -a 密码 --cluster del-node ip:端口 6387节点ID
redis-cli -a 111111 --cluster del-node 192.168.111.174:6387 4feb6a7ee0ed2b39ff86474cf4189ab2a554a40f
    1
    2

  • 检查集群情况第三次,6387/6388被彻底祛除

    redis-cli -a 111111 --cluster check 192.168.111.175:6381
    1

# 3.6 集群常用操作命令和CRC16算法分析

  • 不在同一个slot槽位下的多键操作支持不好，通识占位符登场

    可以通过{}来定义同一个组的概念，使key中{}内相同内容的键值对放到一个slot槽位去，对照下图类似k1k2k3都映射为x，自然槽位一样

  • Redis集群有16384个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽。集群的每个节点负责一部分hash槽

  • 常用命令

    • 集群是否完整才能对外提供服务

      默认YES，现在集群架构是3主3从的redis cluster由3个master平分16384个slot，每个master的小集群负责1/3的slot，对应一部分数据。cluster-require-full-coverage： 默认值 yes , 即需要集群完整性，方可对外提供服务 通常情况，如果这3个小集群中，任何一个（1主1从）挂了，你这个集群对外可提供的数据只有2/3了， 整个集群是不完整的， redis 默认在这种情况下，是不会对外提供服务的。

      如果你的诉求是，集群不完整的话也需要对外提供服务，需要将该参数设置为no ，这样的话你挂了的那个小集群是不行了，但是其他的小集群仍然可以对外提供服务。

    • CLUSTER COUNTKEYSINSLOT 槽位数字编号

      • 1，该槽位被占用
      • 0，该槽位没占用

    • CLUSTER KEYSLOT 键名称

      • 该键应该存在哪个槽位上
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#redis
上次更新: 2024/09/02, 21:49:24
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