2Docker下安装Redis集群:cluster(集群)模式-docker版，哈希槽分区进行亿级数据存储

Posted 2023-03-22

背景

1~2亿条数据需要缓存，请问如何设计存储案例?
上述问题阿里P6~P7工程案例和场景设计类必考题目，一般业界有三种解决方案^：
2、一致性哈希算法分区
3、哈希槽分区

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太机器构成一个集群，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机器上，这样每一台服务器固定处理一部分请求(并维护这些请求信息)，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，不管扩容还是缩容，每次数据变动导致节点有变动，映射关系就需要进行重新计算，在服务器个数固定不变时没有问题，如果需要弹性扩容或者故障停机的情况下，原来的取余公式就会发生变化：hash(key)/3会变成hash(key)/?。此时，经过某个redis机器宕了，由于台数数量发生变化，会导致hash取余全部数据重新洗牌。
我们来举个例子:
假设请求1的取余结果为【hash(请求1)/3】：第一台机器，我们把数据存到了第一台机器，如果第一台机器宕机时，我们要去第一台机器查询我们请求1的数据时，是查询不到的。
也就是说，当服务器数量发生改变时，所有缓存在一定时间内是失效的，当应用无法从缓存中获取数据时，则会频繁向后端服务器请求也无法存储。造成雪崩
为了解决这个问题，就拥有了一次性哈希算法

2、一致性哈希算法分区

是什么:
一致性哈希算法在1997年由麻省理工学院中提出的，目的是为了解决分布式缓存数据变动和映射问题，某个单机坏了，分母数量变了，自然取余数就不ok了。
能干什么？
提出一致性哈希算法的解决方案。目的是当服务器个数发生变动的时候，尽量减少影响客户端到服务器的映射关系。
一致性哈希算法的具体步骤如下:

（一）、算法构建一致性哈希环

一致性哈希算法必然有个hash函数，并按照算法产生哈希值，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哈希空间[0,2^32-1],这是一个线性的空间，我们通过适当的逻辑控制将它的首尾相连(0=2^32)，这样让它逻辑上形成了一个闭环空间。
哈希取模算法是对节点(服务器)的数量进行取模，而一致性哈希算法是对2^32进行取模，简单来说，一致性哈希算法将整个哈希值空间组成一个虚拟的圆环。
我们可以将2^32想象成一个圆，像钟表一样，钟表的圆可以理解成由60个圆点组成，而一致性哈希环我们可以理解为由2^32个远点组成，成功空间按照顺时针方向组织，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、5、6……直到2^32-1，0点与2^32重合，我们把这个由2^32个点组成的圆环称为hash环

（二）、服务器IP节点映射

将集群上的各个点映射到环上的某一个位置
哈希算法：hash（服务器的IP） % 2^32
将各个服务器节点进行一个哈希计算，具体可以选择服务器的ip或主机名作为关键字进行哈希计算，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A、B、C、D，经过IP地址的hash计算，使用IP地址哈希后在环空间的位置如下：

（三）、key落到服务器的落键规则

当我们需要存储一个k，v键值对的时候，首先计算key的hash值，根据计算出的哈希值确定此数据在哈希环上的位置，从此位置沿着顺时针行走，遇到的第一台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。
如下图，有1、2、3，三个请求，按照上面规则，1、3请求顺时针行走遇到的第一个服务是A服务，所以将1、3的请求数据存储在A服务器上，2请求按照顺时针行走遇到的第一个服务是B服务，所以将2的请求数据存储在B服务上。

一致性哈希算法的优点

1、容错性
假设，我们上面例子的B服务宕机了，此时2请求进来时，沿着顺时针行走遇到的第一台服务是C服务器，所以2请求被重新定位到C服务器。此时A、B服务环中间的那部分取数会受到影响，而存数据不会受到影响，会定位到C服务。
2、扩展性
数据量增加了，需要增加一台节点X，X的位置在A和D之间，那受到查询影响的就是X和D之间的数据，而D到X之间的存数都落到X服务上即可，不会导致哈希取余所有数据重新洗牌。

一致性哈希算法的缺点

hash环的数据倾斜问题
一致性哈希算法在服务节点太少时，容易因节点分布不均匀而造成数据倾斜(被缓存的对象一大部分集中在某一台服务上)问题

3、哈希槽算法分区

(一)、为什么会出现

解决一致性哈希算法的数据倾斜问题
哈希槽实际上就是一个数组，数组[0,2^14-1]形成哈希槽空间(hash slot)

(二)、能干什么

解决均匀分配问题，在数据和节点之间又加入了一层，把这层成为哈希槽(hash 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
槽解决的是粒度的问题，相当于把粒度变大了，这样便于数据移动

（三）、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所有主节点，分配策略没有要求。可以指定哪些编号的槽分配给哪个主节点，集群会记录节点和槽的对应关系，解决了节点和槽的对应关系后，接下来就需要对key求哈希值，然后对16384取余，，余数是几，key就落入对应的槽里。slot=CRC16(key)%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，这样数据移动的问题就解决了。

（四）、哈希槽的计算

Redis集群中内置了16384个哈希槽，redis会根据节点数量大致均匀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，然后把结果对16384取余，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。

一、3主3从redis集群配置

docker run:创建并运行docker容器实例
--name redis-node-1:容器实例的名字
-d:后台守护进程运行
 –net host:使用宿主机的ip和端口号，默认
--privileged=true:获取宿主机root用户权限，开启容器卷挂载
--cluster-enabled yes: 表示将 Redis 实例设置成集群节点而不是单机服务器
--appendonly yes:开启AOF持久化操作
--port 6386：redis端口号

docker run -d --name redis-node-1 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-1:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6381
docker run -d --name redis-node-2 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-2:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6382
docker run -d --name redis-node-3 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-3:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6383
docker run -d --name redis-node-4 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-4:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6384
docker run -d --name redis-node-5 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-5:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6385
docker run -d --name redis-node-6 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-6:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6386
返回以下结果，6个docker容器实例创建成功，此时，六台redis实例之间没有任何关系

进入容器redis-node-1并为6台机器构建集群关系：
1、进入容器：
docker exec -it redis-node-1 /bin/bash
2、构建主从关系：
redis-cli :进入到redis容器里
--cluster create：构建集群
--cluster-replicas 1：为每个master创建一个slave节点
注意使用自己的IP，进入docker容器后执行下面命令：
redis-cli --cluster create 192.168.150.128:6381 192.168.150.128:6382 192.168.150.128:6383 192.168.150.128:6384 192.168.150.128:6385 192.168.150.128:6386 --cluster-replicas 1
返回以下结果，则集群创建成功
图中:
>>> Performing hash slots allocation on 6 nodes...
Master[0] -> Slots 0 - 5460
Master[1] -> Slots 5461 - 10922
Master[2] -> Slots 10923 - 16383
Adding replica 192.168.150.128:6385 to 192.168.150.128:6381
Adding replica 192.168.150.128:6386 to 192.168.150.128:6382
Adding replica 192.168.150.128:6384 to 192.168.150.128:6383
将哈希槽分配到6个节点中，三主三从，master1~master3平均分配，以及主从对应关系

连接进入6381作为切入点，查看集群状态：
1、进入6381：
redis-cli -p 6381
2、cluster info
3、cluster nodes
根据下图可以看出，本实例的主·从对应关系如下：
Master   Slaver
1        5
2        6
3        4

二、主从容错切换迁移

1、数据读写存储

启动6机构成的集群，并通过exec进入

docker exec -it redis-node-1 /bin/bash
redis-cli -p 6381

对6381新增2个key

放入一个k1,v1后返回以下错误,数据存不进去，槽位号是12706，不在1服务上:
127.0.0.1:6381> set k1 v1
(error) MOVED 12706 192.168.150.130:6383
我们再来放一个k2，v2，结果如下，可以正常存放:
127.0.0.1:6381> set k2 v2
OK

防止路由失效，加参数-c并新增2个key

以上数据无法放进去，我们来加一个参数解决这个问题:
防止路由失效，加参数-c后，并新增2个key
-c代表集群环境连接
redis-cli -p 6381 -c
在此命令进入redis之后，发现可以正常插入数据，下图中，Redirected为重定向

查看集群信息

redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381

2、容错切换迁移

(一)、主6381和从机切换，先停止主机6381

docker stop redis-node-1

(二)、再次查看集群信息

随便进入一个节点:
docker exec -it redis-node-2 bash
redis-cli -p 6382 -c
查看集群信息如下：
cluster nodes
可以看出6381已经宕机，6381之前对应的从机6385已经上位变成主机
并且查询之前存储的数据都可以查到

(三)、先还原之前的3主3从

先启动6381:
docker start redis-node-1
我们启动节点1以后，发现，节点1成为了slaver，5节点还是master

再停6385:
docker stop redis-node-5

再启动6385:
docker start redis-node-5
此时，我们恢复了最初的状态
Master   Slaver
1        5
2        6
3        4

(四)、查看集群状态

root@192:/data# redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381

3、主从扩容案例（新增一主一从）

新建6387、6388两个节点+新建后启动 +查看是否是8个节点

docker run -d --name redis-node-7 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-7:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6387
docker run -d --name redis-node-8 --net host --privileged=true -v /data/redis/share/redis-node-8:/data redis:6.0.8 --cluster-enabled yes --appendonly yes --port 6388
执行完上面两个命令后，只是启动了2个redis容器实例，这两个容器实例和集群没有任何关系

进入6387容器实例内部

docker exec -it redis-node-7 /bin/bash

新增的6387节点(空槽号)作为master节点加入原集群

将新增的6387节点作为master节点加入集群
redis-cli --cluster add-node 自己实际的IP地址:6387 自己实际的IP地址:6381
redis-cli --cluster add-node 192.168.150.130:6387 192.168.150.130:6381
6387就是将要作为master的新增节点
6381就是原来集群节点里的领路人，相当于6387加入6381领头的组织

检查集群情况第一次

redis-cli --cluster check 真实的ip地址:6381
redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381
此时我们的槽位分配情况为：
6381 :0~5460
6382: 5461~10922
6383:10923~16383

重新分配槽号

redis-cli --cluster reshard ip地址:端口号
redis-cli --cluster reshard 192.168.150.130:6381

检查集群情况第二次

重新分配槽后，槽位分配情况如下:
6381:1365~5460
6382:6827~10922
6383:12288~16383
6387: 0~1364;5461~6826;10923~12287
槽号分配说明：
为什么6387是3个新的区间，以前的旧节点还是连续槽位？
重新分配成本太高，所以前3家各匀出来一部分，从 6381/6382/6383三个旧节点分别匀出1364个坑位给新节点6387

为主节点6387分配从节点6388

redis-cli --cluster add-node IP:从机端口 IP:主机端口 --cluster-slave --cluster-master-id 主机ID
redis-cli --cluster add-node 192.168.150.130:6388 192.168.150.130:6387 --cluster-slave --cluster-master-id 1570427d5a692a5a3dfe45461470fd95aa407725

检查集群情况第三次

检查的时候，我们去任意一个master节点都可以，下面我们进去6382
redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6382

4、主从缩容案例

检查集群情况，获得6388的节点id

redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381
可获取6388ID：
e6c0fcd4c7b39497efc1efeeeb370257344297d3

从集群中将4号从节点6388删除

redis-cli --cluster del-node IP:从机端口 从机6388节点ID
redis-cli --cluster del-node 192.168.150.130:6388 e6c0fcd4c7b39497efc1efeeeb370257344297d3

将6387的槽位号清空，重新分配，本例将清出来的槽位号都给6381

这里的端口号6381代表四台master机器以6381为落脚点去操作集群，
redis-cli --cluster reshard 192.168.150.130:6381

检查集群情况第二次

redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381

将6387删除

redis-cli --cluster del-node ip:主机4端口 节点ID
redis-cli --cluster del-node 192.168.150.130:6387 1570427d5a692a5a3dfe45461470fd95aa407725

检查情况第三次

redis-cli --cluster check 192.168.150.130:6381

docker 安装redis cluster集群

安装Redis镜像
docker pull yyyyttttwwww/redis
创建redis容器 
docker run -it -d --name r1 -p 5001:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.2 redis bash 

查看网段
docker network ls
创建net2网络
docker network create --subnet=172.19.0.0/16 net2
创建redis容器 
docker run -it -d --name r1 -p 5001:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.2 redis bash 
docker  run -it -d --name r1 -v /home/redis/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5001:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.2 redis bash
docker  run -it -d --name r2 -v /home/redis/r2/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5002:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.3 redis bash
docker  run -it -d --name r3 -v /home/redis/r3/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5003:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.4 redis bash
docker  run -it -d --name r4 -v /home/redis/r4/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5004:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.5 redis bash
docker  run -it -d --name r5 -v /home/redis/r5/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5005:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.6 redis bash
docker  run -it -d --name r6 -v /home/redis/r6/redis.conf:/usr/redis/redis.conf -p 5006:6379 --net=net2 --ip 172.19.0.7 redis bash


进入容器
docker exec -it r1 bash
编辑配置文件
vi /usr/redis/redis.conf 

    apt-get update
                apt-get install vim



cd /usr/redis/src
./redis-server ../redis.conf

    

配置Redis节点
daemonize yes #以后台进程运行
cluster-enabled yes #开启集群
cluster-config-file nodes.conf #集群配置文件
cluster-node-timeout 15000 #超时时间
appendonly yes #开启AOF
/usr/redis/redis.conf 



安装redis-trib.rb
docker exec -it r1 bash
cd /usr/redis/
mkdir cluster
cp /usr/redis/src/redis-trib.rb /usr/redis/cluster/
cd /usr/redis/cluster
apt-get install ruby
apt-get install rubygems
gem install redis 

创建Redis集群
./redis-trib.rb create --replicas 1 172.19.0.2:6379 172.19.0.3:6379 172.19.0.4:6379 172.19.0.5:6379 172.19.0.6:6379