Docker 安装 Redis集群

1. 面试题

1.1 1~2亿条数据需要缓存，请问如何设计这个存储案例

单机单台不可能实现，肯定是用分布式存储，用redis如何落地？

1.2 上述问题工程案例场景设计类题目，解决方案

1.2.1 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。

1.2.2 一致性哈希算法分区

1. 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

2. 能干啥

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. 3大步骤

3.1 算法构建一致哈希环

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。

3.2 服务器IP节点映射

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：

 

3.3 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。

 

4. 优点 

4.1 一致性哈希算法的容错性

容错性

假设Node C宕机，可以看到此时对象A、B、D不会受到影响，只有C对象被重定位到Node D。一般的，在一致性Hash算法中，如果一台服务器不可用，则受影响的数据仅仅是此服务器到其环空间中前一台服务器（即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器）之间数据，其它不会受到影响。简单说，就是C挂了，受到影响的只是B、C之间的数据，并且这些数据会转移到D进行存储。

4.2 一致性哈希算法的扩展性

 扩展性

数据量增加了，需要增加一台节点NodeX，X的位置在A和B之间，那收到影响的也就是A到X之间的数据，重新把A到X的数据录入到X上即可，

不会导致hash取余全部数据重新洗牌。

5. 缺点

Hash环的数据倾斜问题

一致性Hash算法在服务节点太少时，容易因为节点分布不均匀而造成数据倾斜（被缓存的对象大部分集中缓存在某一台服务器上）问题，

例如系统中只有两台服务器：

 
6. 总结

为了在节点数目发生改变时尽可能少的迁移数据

将所有的存储节点排列在收尾相接的Hash环上，每个key在计算Hash后会顺时针找到临近的存储节点存放。

而当有节点加入或退出时仅影响该节点在Hash环上顺时针相邻的后续节点。  

 

优点

加入和删除节点只影响哈希环中顺时针方向的相邻的节点，对其他节点无影响。

 

缺点 

数据的分布和节点的位置有关，因为这些节点不是均匀的分布在哈希环上的，所以数据在进行存储时达不到均匀分布的效果。

1.2.3 哈希槽分区

1. 是什么

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。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，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

 

2. 开始部署

2.1 3主3从redis集群配置

2.1.1 构建6个redis容器

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

参数解析：

docker run 启动容器
--name redis-node-1 容器命名

--net host 使用宿主机ip和端口，默认

--privileged=true 获取宿主机root用户权限

-v 容器卷，目录映射
redis:6.0.8 镜像

--cluster-enabled 开启redis集群

--appendonly yes 开启持久化

--port 6386 redis端口号

2.1.2 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

//注意，进入docker容器后才能执行一下命令，且注意自己的真实IP地址

redis-cli --cluster create 192.168.111.147:6381 192.168.111.147:6382 192.168.111.147:6383 192.168.111.147:6384 192.168.111.147:6385 192.168.111.147:6386  --cluster-replicas 1

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

 

2.1.3 进入6381容器，查看集群状态

2.2 主从容错切换迁移案例

2.2.1 数据读写存储

1. 启动6机构成的集群并通过exec进入

2. 对6381新增两个key

3. 防止路由失效参数-c并新增两个key  

 -c 进入集群 

4. 查看集群信息

redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6381

 

2.2.2 容错切换迁移

1. 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

2. 再查看集群信息

6381宕机了，6385上位成为了新的master。

备注：本次脑图笔记6381为主下面挂从6385。

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

3. 先还原之前的三主三从

中间需要等待一会儿，docker集群重新响应。 

 

4. 查看集群状态

2.3 主从扩容案例

2.3.1 新建6387，6388两个节点+新建后启动+查看是否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

2.3.2 进入6387容器实例内部

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

2.3.3 将新增的6387节点作为master节点加入原集群

将新增的6387作为master节点加入集群 redis-cli --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

 

 

2.3.4 检查集群情况第一次

redis-cli --cluster check 真实ip地址:6381

 

2.3.5 从新分派槽号

重新分派槽号

命令:redis-cli --cluster reshard IP地址:端口号

redis-cli --cluster reshard 192.168.111.147:6381

 

2.3.6 检查集群情况第二次

redis-cli --cluster check 真实ip地址:6381

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6381/6382/6383三个旧节点分别匀出1364个坑位给新节点6387

 

2.3.7 为主节点6387分配从节点6388

命令：redis-cli --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 --cluster add-node 192.168.111.147:6388 192.168.111.147:6387 --cluster-slave --cluster-master-id e4781f644d4a4e4d4b4d107157b9ba8144631451-------这个是6387的编号，按照自己实际情况

 

 

2.3.8 检查集群情况第三次

redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6382

 

2.4 主从缩容案例

2.4.1 检查集群情况获得6388的节点ID

redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6382

 

2.4.2 从集群将4号从节点6388删除

命令：redis-cli --cluster del-node ip:从机端口 从机6388节点ID redis-cli --cluster  del-node 192.168.111.147:6388 5d149074b7e57b802287d1797a874ed7a1a284a8

检查节点数
redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6382

 

2.4.3 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 --cluster reshard 192.168.111.147:6381

 

2.4.4 检查集群情况第二次

redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6381

 

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

 

2.4.5 将6387删除

命令：redis-cli --cluster del-node ip:端口 6387节点ID redis-cli --cluster del-node 192.168.111.147:6387 e4781f644d4a4e4d4b4d107157b9ba8144631451

 

 

2.4.6 检查集群情况第三次

redis-cli --cluster check 192.168.111.147:6381