Redis技能—Redis的集群：集群的分片

分片(partitioning)就是将你的数据拆分到多个 Redis 实例的过程，这样每个实例将只包含所有键的子集。

分片能做什么

Redis 的分片承担着两个主要目标：

• 允许使用很多电脑的内存总和来支持更大的数据库。没有分片，你就被局限于单机能支持的内存容量。
• 允许伸缩计算能力到多核或多服务器，伸缩网络带宽到多服务器或多网络适配器。

分片方式（多种）

有很多不同的分片标准(criteria)。我们能找到许多不同的办法来映射一个键到一个指定的 Redis 服务器。

1、范围分片(range partitioning)，通过映射对象的范围到指定的 Redis 实例来完成分片。例如，我可以假设用户从 ID 0 到 ID 10000 进入实例 R0，用户从 ID 10001 到 ID 20000 进入实例 R1，等等。

缺点：就是需要一个映射范围到实例的表格。这张表需要管理，不同类型的对象都需要一个表，所以范围分片在 Redis 中常常并不可取，因为这要比替他分片可选方案低效得多。

2、哈希分片(hash partitioning)。这种模式适用于任何键。

• 使用一个哈希函数(例如，crc32 哈希函数) 将键名转换为一个数字。例如，如果键是 foobar，crc32(foobar)将会输出类似于 93024922 的东西。
• 对这个数据进行取模运算，以将其转换为一个 0 到 3 之间的数字，这样这个数字就可以映射到我的 4 台 Redis 实例之一。93024922 模 4 等于 2，所以我知道我的键 foobar 应当存储到 R2 实例。注意：取模操作返回除法操作的余数，在许多编程语言总实现为%操作符。

3、一种哈希分片的高级形式称为一致性哈希(consistent hashing)，被一些 Redis 客户端和代理实现。

分片的不同实现

分片可由软件栈中的不同部分来承担。

• 客户端分片(Client side partitioning)意味着，客户端直接选择正确的节点来写入和读取指定键。许多 Redis 客户端实现了客户端分片。
• 代理协助分片(Proxy assisted partitioning)意味着，我们的客户端发送请求到一个可以理解 Redis 协议的代理上，而不是直接发送请求到 Redis 实例上。代理会根据配置好的分片模式，来保证转发我们的请求到正确的 Redis 实例，并返回响应给客户端。Redis 和 Memcached 的代理 Twemproxy 实现了代理协助的分片。
• 查询路由(Query routing)意味着，你可以发送你的查询到一个随机实例，这个实例会保证转发你的查询到正确的节点。Redis 集群在客户端的帮助下，实现了查询路由的一种混合形式 (请求不是直接从 Redis 实例转发到另一个，而是客户端收到重定向到正确的节点)。

  Redis 分片的实现（重点：Redis集群是redis分片的事实标准）

  Redis 集群是自动分片和高可用的首选方式。

  一旦 Redis 集群可用，以及支持 Redis 集群的客户端可用，Redis 集群将会成为 Redis 分片的事实标准。（已然可用）

  Redis 集群是查询路由和客户端分片的混合模式。

  Twemproxy 是 Twitter 开发的一个支持 Memcached ASCII 和 Redis 协议的代理。它是单线程的，由 C 语言编写，运行非常的快。他是基于 Apache 2.0 许可的开源项目。

  Twemproxy 支持自动在多个 Redis 实例间分片，如果节点不可用时，还有可选的节点排除支持(这会改变键和实例的映射，所以你应该只在将 Redis 作为缓存是才使用这个特性)。

  这并不是单点故障(single point of failure)，因为你可以启动多个代理，并且让你的客户端连接到第一个接受连接的代理。

  Twemproxy 之外的可选方案，是使用实现了客户端分片的客户端，通过一致性哈希或者别的类似算法。有多个支持一致性哈希的 Redis 客户端，例如 Redis-rb 和 Predis。

• 数据存储还是缓存

  尽管无论是将 Redis 作为数据存储还是缓存，Redis 的分片概念上都是一样的，但是作为数据存储时有一个重要的局限。当 Redis 作为数据存储时，一个给定的键总是映射到相同的 Redis 实例。当 Redis 作为缓存时，如果一个节点不可用而使用另一个节点，这并不是一个什么大问题，按照我们的愿望来改变键和实例的映射来改进系统的可用性(就是系统回复我们查询的能力)。

  一致性哈希实现常常能够在指定键的首选节点不可用时切换到其他节点。类似的，如果你添加一个新节点，部分数据就会开始被存储到这个新节点上。

  这里的主要概念如下：

  • 如果 Redis 用作缓存，使用一致性哈希来来实现伸缩扩展(scaling up and down)是很容易的。
  • 如果 Redis 用作存储，使用固定的键到节点的映射，所以节点的数量必须固定不能改变。否则，当增删节点时，就需要一个支持再平衡节点间键的系统，当前只有 Redis 集群可以做到这一点，但是 Redis 集群现在还处在 beta 阶段，尚未考虑再生产环境中使用。

    Redis Cluster集群

    一、redis-cluster设计

    Redis集群搭建的方式有多种，例如使用zookeeper等，但从redis 3.0之后版本支持redis-cluster集群，Redis-Cluster采用无中心结构，每个节点保存数据和整个集群状态,每个节点都和其他所有节点连接。其redis-cluster架构图如下：

    

    其结构特点：

         1、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。
         2、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。
         3、客户端与redis节点直连,不需要中间proxy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。
         4、redis-cluster把所有的物理节点映射到[0-16383]slot上（不一定是平均分配）,cluster 负责维护node<->slot<->value。

         5、Redis集群预分好16384个桶，当需要在 Redis 集群中放置一个 key-value 时，根据 CRC16(key) mod 16384的值，决定将一个key放到哪个桶中。

     

       1、redis cluster节点分配

     

       现在我们是三个主节点分别是：A, B, C 三个节点，它们可以是一台机器上的三个端口，也可以是三台不同的服务器。那么，采用哈希槽 (hash slot)的方式来分配16384个slot 的话，它们三个节点分别承担的slot 区间是：
    
    
          节点A覆盖0－5460;
          节点B覆盖5461－10922;
          节点C覆盖10923－16383.

        

         获取数据：

          如果存入一个值，按照redis cluster哈希槽的算法： CRC16('key')384 = 6782。 那么就会把这个key 的存储分配到 B 上了。同样，当我连接(A,B,C)任何一个节点想获取'key'这个key时，也会这样的算法，然后内部跳转到B节点上获取数据 

        

         新增一个主节点：

          新增一个节点D，redis cluster的这种做法是从各个节点的前面各拿取一部分slot到D上，我会在接下来的实践中实验。大致就会变成这样：
      

        节点A覆盖1365-5460
        节点B覆盖6827-10922
        节点C覆盖12288-16383
        节点D覆盖0-1364,5461-6826,10923-12287
    
    
         同样删除一个节点也是类似，移动完成后就可以删除这个节点了。

     

     

         2、Redis Cluster主从模式

     

              redis cluster 为了保证数据的高可用性，加入了主从模式，一个主节点对应一个或多个从节点，主节点提供数据存取，从节点则是从主节点拉取数据备份，当这个主节点挂掉后，就会有这个从节点选取一个来充当主节点，从而保证集群不会挂掉。
    
          上面那个例子里, 集群有ABC三个主节点, 如果这3个节点都没有加入从节点，如果B挂掉了，我们就无法访问整个集群了。A和C的slot也无法访问。
    
         所以我们在集群建立的时候，一定要为每个主节点都添加了从节点, 比如像这样, 集群包含主节点A、B、C, 以及从节点A1、B1、C1, 那么即使B挂掉系统也可以继续正确工作。
    
         B1节点替代了B节点，所以Redis集群将会选择B1节点作为新的主节点，集群将会继续正确地提供服务。 当B重新开启后，它就会变成B1的从节点。
    
        不过需要注意，如果节点B和B1同时挂了，Redis集群就无法继续正确地提供服务了。

     

分片的缺点

• Redis 的一些特性与分片在一起时玩转的不是很好：

  • 涉及多个键的操作通常不支持。例如，你不能对映射在两个不同 Redis 实例上的键执行交集(事实上有办法做到，但不是直接这么干)。
  • 涉及多个键的事务不能使用。
  • 分片的粒度(granularity)是键，所以不能使用一个很大的键来分片数据集，例如一个很大的有序集合。
  • 当使用了分片，数据处理变得更复杂，例如，你需要处理多个 RDB/AOF 文件，备份数据时你需要聚合多个实例和主机的持久化文件。
  • 添加和删除容量也很复杂。例如，Redis 集群具有运行时动态添加和删除节点的能力来支持透明地再均衡数据，但是其他方式，像客户端分片和代理都不支持这个特性。但是，有一种称为预分片(Presharding)的技术在这一点上能帮上忙。