redis的三种集群方式

Posted 2022-06-17 xd502djj

redis有三种集群方式：主从复制，哨兵模式和集群。

1.主从复制

主从复制原理：

• 从服务器连接主服务器，发送SYNC命令； 
• 主服务器接收到SYNC命名后，开始执行BGSAVE命令生成RDB文件并使用缓冲区记录此后执行的所有写命令； 
• 主服务器BGSAVE执行完后，向所有从服务器发送快照文件，并在发送期间继续记录被执行的写命令； 
• 从服务器收到快照文件后丢弃所有旧数据，载入收到的快照； 
• 主服务器快照发送完毕后开始向从服务器发送缓冲区中的写命令； 
• 从服务器完成对快照的载入，开始接收命令请求，并执行来自主服务器缓冲区的写命令；（从服务器初始化完成）
• 主服务器每执行一个写命令就会向从服务器发送相同的写命令，从服务器接收并执行收到的写命令（从服务器初始化完成后的操作）

主从复制优缺点：

优点：

• 支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离
• 为了分载Master的读操作压力，Slave服务器可以为客户端提供只读操作的服务，写服务仍然必须由Master来完成
• Slave同样可以接受其它Slaves的连接和同步请求，这样可以有效的分载Master的同步压力。
• Master Server是以非阻塞的方式为Slaves提供服务。所以在Master-Slave同步期间，客户端仍然可以提交查询或修改请求。
• Slave Server同样是以非阻塞的方式完成数据同步。在同步期间，如果有客户端提交查询请求，Redis则返回同步之前的数据

缺点：

• Redis不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。
• 主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性。
• Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

2.哨兵模式

当主服务器中断服务后，可以将一个从服务器升级为主服务器，以便继续提供服务，但是这个过程需要人工手动来操作。 为此，Redis 2.8中提供了哨兵工具来实现自动化的系统监控和故障恢复功能。

哨兵的作用就是监控Redis系统的运行状况。它的功能包括以下两个。

    （1）监控主服务器和从服务器是否正常运行。 
    （2）主服务器出现故障时自动将从服务器转换为主服务器。

哨兵的工作方式：

• 每个Sentinel（哨兵）进程以每秒钟一次的频率向整个集群中的Master主服务器，Slave从服务器以及其他Sentinel（哨兵）进程发送一个 PING 命令。
• 如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值， 则这个实例会被 Sentinel（哨兵）进程标记为主观下线（SDOWN）
• 如果一个Master主服务器被标记为主观下线（SDOWN），则正在监视这个Master主服务器的所有 Sentinel（哨兵）进程要以每秒一次的频率确认Master主服务器的确进入了主观下线状态
• 当有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master主服务器进入了主观下线状态（SDOWN）， 则Master主服务器会被标记为客观下线（ODOWN）
• 在一般情况下， 每个 Sentinel（哨兵）进程会以每 10 秒一次的频率向集群中的所有Master主服务器、Slave从服务器发送 INFO 命令。
• 当Master主服务器被 Sentinel（哨兵）进程标记为客观下线（ODOWN）时，Sentinel（哨兵）进程向下线的 Master主服务器的所有 Slave从服务器发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次。
• 若没有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程同意 Master主服务器下线， Master主服务器的客观下线状态就会被移除。若 Master主服务器重新向 Sentinel（哨兵）进程发送 PING 命令返回有效回复，Master主服务器的主观下线状态就会被移除。

 哨兵模式的优缺点

优点：

• 哨兵模式是基于主从模式的，所有主从的优点，哨兵模式都具有。
• 主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高。

缺点：

• Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

3.Redis-Cluster集群

redis的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离 ，但是在这种模式下每台redis服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在redis3.0上加入了cluster模式，实现的redis的分布式存储，也就是说每台redis节点上存储不同的内容。

 Redis-Cluster采用无中心结构,它的特点如下：

• 所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽。

• 节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效。

• 客户端与redis节点直连,不需要中间代理层.客户端不需要连接集群所有节点,连接集群中任何一个可用节点即可。

工作方式：

在redis的每一个节点上，都有这么两个东西，一个是插槽（slot），它的的取值范围是：0-16383。还有一个就是cluster，可以理解为是一个集群管理的插件。当我们的存取的key到达的时候，redis会根据crc16的算法得出一个结果，然后把结果对 16384 求余数，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作。

为了保证高可用，redis-cluster集群引入了主从模式，一个主节点对应一个或者多个从节点，当主节点宕机的时候，就会启用从节点。当其它主节点ping一个主节点A时，如果半数以上的主节点与A通信超时，那么认为主节点A宕机了。如果主节点A和它的从节点A1都宕机了，那么该集群就无法再提供服务了。

 

Redis集群设计包括2部分：哈希Slot和节点主从，本篇博文通过3张图来搞明白Redis的集群设计。

 

节点主从：

主从设计不算什么新鲜玩意，在数据库中我们也经常用主从来做读写分离，直接上图：

 

图上能看得到的信息：

1， 只有1个Master，可以有N个slaver，而且Slaver也可以有自己的Slaver，由于这种主从的关系决定他们是在配置阶段就要指定他们的上下级关系，而不是Zookeeper那种平行关系是自主推优出来的。

2， 读写分离，Master只负责写和同步数据给Slaver，Slaver承担了被读的任务，所以Slaver的扩容只能提高读效率不能提高写效率。

3， Slaver先将Master那边获取到的信息压入磁盘，再load进内存，client端是从内存中读取信息的，所以Redis是内存数据库。

当一个新的Slaver加入到这个集群时，会主动找Master来拜码头，Master发现新的小弟后将全量数据发送给新的Slaver，数据量越大性能消耗也就越大，所以尽量避免在运行时做Slaver的扩容。

简单总结下主从模式的设计：

优点：读写分离，通过增加Slaver可以提高并发读的能力。

缺点：Master写能力是瓶颈。

          虽然理论上对Slaver没有限制但是维护Slaver开销总将会变成瓶颈。

          Master的Disk大小也将会成为整个Redis集群存储容量的瓶颈。

 

 

哈希Slot：

这个艺名看起来很文艺，但也不是什么新技术，他的真名就叫分表分库，再上一个图：

 

图上能看到的信息：

1， 对象保存到Redis之前先经过CRC16哈希到一个指定的Node上，例如Object4最终Hash到了Node1上。

2， 每个Node被平均分配了一个Slot段，对应着0-16384，Slot不能重复也不能缺失，否则会导致对象重复存储或无法存储。

3， Node之间也互相监听，一旦有Node退出或者加入，会按照Slot为单位做数据的迁移。例如Node1如果掉线了，0-5640这些Slot将会平均分摊到Node2和Node3上,由于Node2和Node3本身维护的Slot还会在自己身上不会被重新分配，所以迁移过程中不会影响到5641-16384Slot段的使用。

简单总结下哈希Slot的优缺点：

缺点：每个Node承担着互相监听、高并发数据写入、高并发数据读出，工作任务繁重

优点：将Redis的写操作分摊到了多个节点上，提高写的并发能力，扩容简单。

 

双剑合并：

看到这里大家也就发现了，主从和哈希的设计优缺点正好是相互弥补的，将图一每一套主从对应到图二中的每一个Node，就是Redis集群的终极形态，先Hash分逻辑节点，然后每个逻辑节点内部是主从，如图：

 

想扩展并发读就添加Slaver，想扩展并发写就添加Master，想扩容也就是添加Master，任何一个Slaver或者几个Master挂了都不会是灾难性的故障。
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