Redis 5 之后版本的高可用集群搭建

Redis 5.0之后版本的高可用集群搭建

Redis系统介绍：

Redis的基础介绍与安装使用步骤：https://www.jianshu.com/p/2a23257af57b
Redis的基础数据结构与使用：https://www.jianshu.com/p/c95c8450c5b6
Redis核心原理：https://www.jianshu.com/p/4e6b7809e10a
Redis 5 之后版本的高可用集群搭建：https://www.jianshu.com/p/8045b92fafb2
Redis 5 版本的高可用集群的水平扩展：https://www.jianshu.com/p/6355d0827aea
Redis 5 集群选举原理分析：https://www.jianshu.com/p/e6894713a6d5
Redis 5 通信协议解析以及手写一个Jedis客户端：https://www.jianshu.com/p/575544f68615

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集群方案比较：

redis3.0版本的集群模式

哨兵模式：

在redis3.0以前的版本要实现集群一般是借助哨兵sentinel工具来监控master节点的状态，如果master节点异常，则会做主从切换，将某一台slave作为master，哨兵的配置略微复杂，并且性能和高可用性等各方面表现一般，特别是在主从切换的瞬间存在访问瞬断的情况，而且哨兵模式只有一个主节点对外提供服务，没法支持很高的并发，且单个主节点内存也不宜设置得过大，否则会导致持久化文件过大，影响数据恢复或主从同步的效率。

 

高可用集群模式：

redis集群是一个由多个主从节点群组成的分布式服务器群，它具有复制、高可用和分片特性。Redis集群不需要sentinel哨兵也能完成节点移除和故障转移的功能。需要将每个节点设置成集群模式，这种集群模式没有中心节点，可水平扩展，据官方文档称可以线性扩展到上万个节点(官方推荐不超过1000个节点)。redis集群的性能和高可用性均优于之前版本的哨兵模式，且集群配置非常简单。

 

集群的基本原理

下面将进一步深入，介绍集群的原理。集群最核心的功能是数据分区，因此首先介绍数据的分区规则；然后介绍集群实现的细节：通信机制和数据结构；最后以cluster meet(节点握手)、cluster addslots(槽分配)为例，说明节点是如何利用上述数据结构和通信机制实现集群命令的。

1. 数据分区方案

数据分区有顺序分区、哈希分区等，其中哈希分区由于其天然的随机性，使用广泛；集群的分区方案便是哈希分区的一种。

哈希分区的基本思路是：对数据的特征值（如key）进行哈希，然后根据哈希值决定数据落在哪个节点。常见的哈希分区包括：哈希取余分区、一致性哈希分区、带虚拟节点的一致性哈希分区等。

衡量数据分区方法好坏的标准有很多，其中比较重要的两个因素是(1)数据分布是否均匀(2)增加或删减节点对数据分布的影响。由于哈希的随机性，哈希分区基本可以保证数据分布均匀；因此在比较哈希分区方案时，重点要看增减节点对数据分布的影响。

（1）哈希取余分区

哈希取余分区思路非常简单：计算key的hash值，然后对节点数量进行取余，从而决定数据映射到哪个节点上。该方案最大的问题是，当新增或删减节点时，节点数量发生变化，系统中所有的数据都需要重新计算映射关系，引发大规模数据迁移。

（2）一致性哈希分区

一致性哈希算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，如下图所示，范围为0-2^32-1；对于每个数据，根据key计算hash值，确定数据在环上的位置，然后从此位置沿环顺时针行走，找到的第一台服务器就是其应该映射到的服务器。

与哈希取余分区相比，一致性哈希分区将增减节点的影响限制在相邻节点。以上图为例，如果在node1和node2之间增加node5，则只有node2中的一部分数据会迁移到node5；如果去掉node2，则原node2中的数据只会迁移到node4中，只有node4会受影响。

一致性哈希分区的主要问题在于，当节点数量较少时，增加或删减节点，对单个节点的影响可能很大，造成数据的严重不平衡。还是以上图为例，如果去掉node2，node4中的数据由总数据的1/4左右变为1/2左右，与其他节点相比负载过高。

（3）带虚拟节点的一致性哈希分区

该方案在一致性哈希分区的基础上，引入了虚拟节点的概念。Redis集群使用的便是该方案，其中的虚拟节点称为槽（slot）。槽是介于数据和实际节点之间的虚拟概念；每个实际节点包含一定数量的槽，每个槽包含哈希值在一定范围内的数据。引入槽以后，数据的映射关系由数据hash->实际节点，变成了数据hash->槽->实际节点。

在使用了槽的一致性哈希分区中，槽是数据管理和迁移的基本单位。槽解耦了数据和实际节点之间的关系，增加或删除节点对系统的影响很小。仍以上图为例，系统中有4个实际节点，假设为其分配16个槽(0-15)； 槽0-3位于node1，4-7位于node2，以此类推。如果此时删除node2，只需要将槽4-7重新分配即可，例如槽4-5分配给node1，槽6分配给node3，槽7分配给node4；可以看出删除node2后，数据在其他节点的分布仍然较为均衡。

槽的数量一般远小于2^32，远大于实际节点的数量；在Redis集群中，槽的数量为16384。

下面这张图很好的总结了Redis集群将数据映射到实际节点的过程：

图片修改自：https://blog.csdn.net/yejingtao703/article/details/78484151

（1）Redis对数据的特征值（一般是key）计算哈希值，使用的算法是CRC16。

（2）根据哈希值，计算数据属于哪个槽。

（3）根据槽与节点的映射关系，计算数据属于哪个节点。

2. 节点通信机制

集群要作为一个整体工作，离不开节点之间的通信。

两个端口

在哨兵系统中，节点分为数据节点和哨兵节点：前者存储数据，后者实现额外的控制功能。在集群中，没有数据节点与非数据节点之分：所有的节点都存储数据，也都参与集群状态的维护。为此，集群中的每个节点，都提供了两个TCP端口：

• 普通端口：即我们在前面指定的端口(7000等)。普通端口主要用于为客户端提供服务（与单机节点类似）；但在节点间数据迁移时也会使用。
• 集群端口：端口号是普通端口+10000（10000是固定值，无法改变），如7000节点的集群端口为17000。集群端口只用于节点之间的通信，如搭建集群、增减节点、故障转移等操作时节点间的通信；不要使用客户端连接集群接口。为了保证集群可以正常工作，在配置防火墙时，要同时开启普通端口和集群端口。

Gossip协议

节点间通信，按照通信协议可以分为几种类型：单对单、广播、Gossip协议等。重点是广播和Gossip的对比。

广播是指向集群内所有节点发送消息；优点是集群的收敛速度快(集群收敛是指集群内所有节点获得的集群信息是一致的)，缺点是每条消息都要发送给所有节点，CPU、带宽等消耗较大。

Gossip协议的特点是：在节点数量有限的网络中，每个节点都“随机”的与部分节点通信（并不是真正的随机，而是根据特定的规则选择通信的节点），经过一番杂乱无章的通信，每个节点的状态很快会达到一致。Gossip协议的优点有负载(比广播)低、去中心化、容错性高(因为通信有冗余)等；缺点主要是集群的收敛速度慢。

消息类型

集群中的节点采用固定频率（每秒10次）的定时任务进行通信相关的工作：判断是否需要发送消息及消息类型、确定接收节点、发送消息等。如果集群状态发生了变化，如增减节点、槽状态变更，通过节点间的通信，所有节点会很快得知整个集群的状态，使集群收敛。

节点间发送的消息主要分为5种：meet消息、ping消息、pong消息、fail消息、publish消息。不同的消息类型，通信协议、发送的频率和时机、接收节点的选择等是不同的。

• MEET消息：在节点握手阶段，当节点收到客户端的CLUSTER MEET命令时，会向新加入的节点发送MEET消息，请求新节点加入到当前集群；新节点收到MEET消息后会回复一个PONG消息。
• PING消息：集群里每个节点每秒钟会选择部分节点发送PING消息，接收者收到消息后会回复一个PONG消息。PING消息的内容是自身节点和部分其他节点的状态信息；作用是彼此交换信息，以及检测节点是否在线。PING消息使用Gossip协议发送，接收节点的选择兼顾了收敛速度和带宽成本，具体规则如下：(1)随机找5个节点，在其中选择最久没有通信的1个节点(2)扫描节点列表，选择最近一次收到PONG消息时间大于cluster_node_timeout/2的所有节点，防止这些节点长时间未更新。
• PONG消息：PONG消息封装了自身状态数据。可以分为两种：第一种是在接到MEET/PING消息后回复的PONG消息；第二种是指节点向集群广播PONG消息，这样其他节点可以获知该节点的最新信息，例如故障恢复后新的主节点会广播PONG消息。
• FAIL消息：当一个主节点判断另一个主节点进入FAIL状态时，会向集群广播这一FAIL消息；接收节点会将这一FAIL消息保存起来，便于后续的判断。
• PUBLISH消息：节点收到PUBLISH命令后，会先执行该命令，然后向集群广播这一消息，接收节点也会执行该PUBLISH命令。

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开始搭建

一、安装redis

参考之前博客：Redis的基础介绍与安装使用步骤：https://www.jianshu.com/p/2a23257af57b

下载地址：http://redis.io/download

1、安装gcc

yum install gcc

2、把下载好的redis-5.0.2.tar.gz放在/usr/local文件夹下，并解压

wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.2.tar.gz

tar xzf redis-5.0.2.tar.gz

cd redis-5.0.2

3、进入到解压好的redis-5.0.2目录下，进行编译与安装

make & make install

4、启动并指定配置文件

src/redis-server redis.conf

（注意要使用后台启动，所以修改redis.conf里的daemonize改为yes)

5、验证启动是否成功

ps -ef | grep redis 

6、进入redis客户端

cd /usr/local/redis/redis-5.0.2/src
./redis-cli 

7、退出客户端

exit

8、退出redis服务：

pkill redis-server

kill 进程号

src/redis-cli shutdown

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二、开始集群搭建

    redis集群需要至少要三个master节点，我们这里搭建三个master节点，并且给每个master再搭建一个slave节点，总共6个redis节点，这里用一台机器（可以多台机器部署，修改一下ip地址就可以了）部署6个redis实例，三主三从，搭建集群的步骤如下：

第一步：在第一台机器的/usr/local下创建文件夹redis-cluster，然后在其下面创建6个文件夾如下:

mkdir -p /usr/local/redis-cluster

mkdir 8001 8002 8003 8004 8005 8006

第二步：把之前的redis.conf配置文件copy到8001下，修改如下内容：

daemonize yes

port 8001（分别对每个机器的端口号进行设置）

dir /usr/local/redis-cluster/8001/（指定数据文件存放位置，必须要指定不同的目录位置，不然会丢失数据）

cluster-enabled yes（启动集群模式）

cluster-config-file nodes-8001.conf（集群节点信息文件，这里800x最好和port对应上）

cluster-node-timeout 5000

bind 127.0.0.1（去掉bind绑定访问ip信息）

protected-mode no （关闭保护模式）

appendonly yes

如果要设置密码需要增加如下配置：

requirepass xxx (设置redis访问密码)

masterauth xxx (设置集群节点间访问密码，跟上面一致)

 

第三步：把修改后的配置文件，copy到8002-8006，修改第2、3、5项里的端口号，可以用批量替换：

%s/源字符串/目的字符串/g 

第四步：分别启动6个redis实例，然后检查是否启动成功

/usr/local/redis/redis-5.0.2/src/redis-server /usr/local/redis-cluster/800*/redis.conf

查看是否启动成功

ps -ef | grep redis 

第五步：用redis-cli创建整个redis集群(redis5以前的版本集群是依靠ruby脚本redis-trib.rb实现)

/usr/local/redis/redis-5.0.2/src/redis-cli -a xxx --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.5.100:8001 192.168.5.100:8002 192.168.5.100:8003 192.168.5.100:8004 192.168.5.100:8005 192.168.5.100:8006
 

 

代表为每个创建的主服务器节点创建一个从服务器节点

第七步：验证集群：

1）连接任意一个客户端即可：

./redis-cli -c -a xxx -h 192.168.5.100 -p 8001

提示：-a访问服务端密码，-c表示集群模式，指定ip地址和端口号

例如：

/usr/local/redis-5.0.2/src/redis-cli -a xxx -c -h 192.168.5.100 -p 8001

注意这里进入到8002了，redirected。

2）进行验证： cluster info（查看集群信息）、cluster nodes（查看节点列表）

 

 

3）进行数据操作验证

4）关闭集群则需要逐个进行关闭，使用命令：

/usr/local/redis/src/redis-cli -a xxx -c -h 192.168.0.60 -p 8001 shutdown

 

 

其它命令：

创建集群
./redis-cli --cluster create 10.105.179.236:9001 10.105.179.236:9002 10.106.157.104:9001 10.106.157.104:9002 10.106.146.95:9001 10.106.146.95:9002 --cluster-replicas 1

追加节点
src/redis-cli --cluster add-node 10.99.32.32:6379 10.99.32.3:6379

查看节点
src/redis-cli -h 10.99.32.9 -c cluster nodes

删除节点, 需要先获取节点node-id
src/redis-cli --cluster del-node 10.99.32.9:6379 08859612fdf824fd07c538c65073a86ca7d522cb

登录本机9001节点
./redis-cli -p 9001
cluster nodes

查看master
./redis-cli -p 9001 cluster nodes | grep master
./redis-cli -p 9001 cluster nodes | grep slave

查看所有keys
./redis-cli -p 9001 keys "*"

./redis-cli -p 9001 keys "*" |xargs ./redis-cli del

./redis-cli -p 9001 keys "*lz*"|xargs ./redis-cli del

检查集群状态
./redis-cli --cluster check 127.0.0.1:9001
./redis-cli -c -p 9001 cluster nodes

连接到10.106.157.104:9001节点
./redis-cli -c -h 10.106.157.104 -p 9001 

连接到10.106.157.104:9001节点  执行cluster nodes
./redis-cli -c -h 10.106.157.104 -p 9001 cluster nodes

发现节点
cluster meet 10.105.179.236 9002

链接：

https://www.cnblogs.com/kismetv/p/9853040.html

https://blog.csdn.net/Aquester/article/details/83419512

https://blog.csdn.net/h2604396739/article/details/89261094

https://www.jianshu.com/p/8045b92fafb2

https://www.infvie.com/ops-notes/redis5-cluster

https://blog.csdn.net/weixin_37882382/article/details/83538367

https://blog.51cto.com/andyxu/2319767