Redis Cluster集群

redis最开始使用主从模式做集群，若master宕机需要手动配置slave转为master；后来为了高可用提出来哨兵模式，该模式下有一个哨兵监视master和slave，若master宕机可自动将slave转为master，但它也有一个问题，就是不能动态扩充；所以在3.x提出cluster集群模式。

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。

一、redis-cluster设计
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。

image

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。

a.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。

b.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。

二、redis集群的搭建
集群中至少应该有奇数个节点，所以至少有三个节点，每个节点至少有一个备份节点，所以下面使用6节点（主节点、备份节点由redis-cluster集群确定）
下载redis
1、安装redis节点指定端口
解压redis压缩包，编译安装

[root@localhost redis-3.2.0]# tar xzf redis-3.2.0.tar.gz
[root@localhost redis-3.2.0]# cd redis-3.2.0
[root@localhost redis-3.2.0]# make
[root@localhost redis01]# make install PREFIX=/usr/andy/redis-cluster

在redis-cluster下 修改bin文件夹为redis01,复制redis.conf配置文件
创建目录redis-cluster并在此目录下再创建7000 7001 7002 7003 7004 7005共6个目录，在7000中创建配置文件redis.conf，内容如下：

        daemonize yes #后台启动
        port 7001 #修改端口号，从7001到7006
        cluster-enabled yes #开启cluster，去掉注释
        cluster-config-file nodes.conf #自动生成
        cluster-node-timeout 15000 #节点通信时间
        appendonly yes #持久化方式

同时把redis.conf复制到其它目录中

2、安装redis-trib所需的 ruby脚本
注意：centos7默认的ruby版本太低(2.0)，要卸载重装(最低2.2)

yum remove ruby
yum install ruby
yum install rubygems

复制redis解压文件src下的redis-trib.rb文件到redis-cluster目录并安装gem

gem install redis-3.x.x.gem

若不想安装src目录下的gem，也可以直接gem install redis。

注意，gem install可能会报错
Unable to require openssl,install OpenSSL and rebuild ruby (preferred) or use ....
解决步骤：

  1. yum install openssl-devel -y
  2. 在ruby安装包/root/ruby-x.x.x/ext/openssl，执行ruby ./extconf.rb
  3. 执行make,若出现make: *** No rule to make target /include/ruby.h', needed byossl.o'. Stop.;在Makefile顶部中的增加top_srcdir = ../..
  4. 执行make install

3、启动所有的redis节点
可以写一个命令脚本start-all.sh

cd 7000
redis-server redis.conf
cd ..
cd 7001
redis-server redis.conf
cd ..
cd 7002
redis-server redis.conf
cd ..
cd 7003
redis-server redis.conf
cd ..
cd 7004
redis-server redis.conf
cd ..
cd 7005
redis-server redis.conf
cd ..

设置权限启动

[root@localhost redis-cluster]# chmod 777 start-all.sh 
[root@localhost redis-cluster]# ./start-all.sh

查看redis进程启动状态

[root@localhost redis-4.0.2]# ps -ef|grep cluster
root  54956  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7000 [cluster]
root  54961  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7001 [cluster]
root  54966  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7002 [cluster]
root  54971  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7003 [cluster]
root  54976  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7004 [cluster]
root  54981  1  0 19:17 ?  00:00:00 redis-server *:7005 [cluster]
root  55071  24089  0 19:24 pts/0    00:00:00 grep --color=auto cluster

可以看到redis的6个节点已经启动成功
注意：这里并没有创建集群

4、使用redis-trib.rb创建集群
注意：redis-trib.rb在redis/src目录下。

./redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 
127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 127.0.0.1:7000

使用create命令 --replicas 1 参数表示为每个主节点创建一个从节点，其他参数是实例的地址集合。

命令：./src/redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7001 
127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:7004 127.0.0.1:7005 127.0.0.1:7000
>>> Creating cluster
>>> Performing hash slots allocation on 6 nodes...
Using 3 masters:
127.0.0.1:7001
127.0.0.1:7002
127.0.0.1:7003
Adding replica 127.0.0.1:7004 to 127.0.0.1:7001
Adding replica 127.0.0.1:7005 to 127.0.0.1:7002
Adding replica 127.0.0.1:7000 to 127.0.0.1:7003
M: f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7 127.0.0.1:7001
   slots:0-5460 (5461 slots) master
M: 671a0524a616da8b2f50f3d11a74aaf563578e41 127.0.0.1:7002
   slots:5461-10922 (5462 slots) master
M: 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1 127.0.0.1:7003
   slots:10923-16383 (5461 slots) master
S: 34e322ca50a2842e9f3664442cb11c897defba06 127.0.0.1:7004
   replicates f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7
S: 62a00566233fbff4467c4031345b1db13cf12b46 127.0.0.1:7005
   replicates 671a0524a616da8b2f50f3d11a74aaf563578e41
S: 2cb649ad3584370c960e2036fb01db834a546114 127.0.0.1:7000
   replicates 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1
Can I set the above configuration? (type 'yes' to accept): yes
>>> Nodes configuration updated
>>> Assign a different config epoch to each node
>>> Sending CLUSTER MEET messages to join the cluster
Waiting for the cluster to join...
>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7001)
M: f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7 127.0.0.1:7001
   slots:0-5460 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
M: 671a0524a616da8b2f50f3d11a74aaf563578e41 127.0.0.1:7002
   slots:5461-10922 (5462 slots) master
   1 additional replica(s)
S: 2cb649ad3584370c960e2036fb01db834a546114 127.0.0.1:7000
   slots: (0 slots) slave
   replicates 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1
S: 34e322ca50a2842e9f3664442cb11c897defba06 127.0.0.1:7004
   slots: (0 slots) slave
   replicates f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7
M: 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1 127.0.0.1:7003
   slots:10923-16383 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
S: 62a00566233fbff4467c4031345b1db13cf12b46 127.0.0.1:7005
   slots: (0 slots) slave
   replicates 671a0524a616da8b2f50f3d11a74aaf563578e41
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.

上面显示创建成功，有3个主节点，3个从节点，每个节点都是成功连接状态。

三、redis集群的测试
测试存取值，客户端连接集群redis-cli需要带上 -c ，redis-cli -c -p 端口号

[root@localhost redis]# ./redis-cli -c -p 7001
127.0.0.1:7001> set name andy
-> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:7002
OK
127.0.0.1:7002> get name
"andy"
127.0.0.1:7002>

根据redis-cluster的key值分配，name应该分配到节点7002[5461-10922]上，上面显示redis cluster自动从7001跳转到了7002节点。

测试一下7000从节点获取name值

[root@localhost redis]# ./redis-cli -c -p 7000
127.0.0.1:7000> get name
-> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:7002
"andy"
127.0.0.1:7002>

四、集群节点选举
现在模拟将7002节点挂掉，按照redis-cluster原理会选举会将 7002的从节点7005选举为主节点。

[root@localhost redis-cluster]# ps -ef | grep redis
root  7966  1  0 12:50 ?  00:00:29 ./redis-server 127.0.0.1:7000 [cluster]
root  7950  1  0 12:50 ?  00:00:28 ./redis-server 127.0.0.1:7001 [cluster]
root  7952  1  0 12:50 ?  00:00:29 ./redis-server 127.0.0.1:7002 [cluster]
root  7956  1  0 12:50 ?  00:00:29 ./redis-server 127.0.0.1:7003 [cluster]
root  7960  1  0 12:50 ?  00:00:29 ./redis-server 127.0.0.1:7004 [cluster]
root  7964  1  0 12:50 ?  00:00:29 ./redis-server 127.0.0.1:7005 [cluster]
root  11346  10581  0 14:57 pts/2    00:00:00 grep --color=auto redis
[root@localhost redis-cluster]# kill 7952

在查看集群中的7002节点

[root@localhost src]# ./redis-trib.rb check 127.0.0.1:7002
>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7002)
S: 671a0524a616da8b2f50f3d11a74aaf563578e41 127.0.0.1:7002
   slots: (0 slots) slave
   replicates 62a00566233fbff4467c4031345b1db13cf12b46
M: 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1 127.0.0.1:7003
   slots:10923-16383 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
M: 62a00566233fbff4467c4031345b1db13cf12b46 127.0.0.1:7005
   slots:5461-10922 (5462 slots) master
   1 additional replica(s)
M: f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7 127.0.0.1:7001
   slots:0-5460 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
S: 34e322ca50a2842e9f3664442cb11c897defba06 127.0.0.1:7004
   slots: (0 slots) slave
   replicates f4ee0a501f9aaf11351787a46ffb4659d45b7bd7
S: 2cb649ad3584370c960e2036fb01db834a546114 127.0.0.1:7000
   slots: (0 slots) slave
   replicates 18948dab5b07e3726afd1b6a42d5bf6e2f411ba1
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.

可以看到集群连接不了7002节点，而7005有原来的S转换为M节点，代替了原来的7002节点。我们可以获取name值：

[root@localhost redis]# ./redis-cli -c -p 7001
127.0.0.1:7001> get name
-> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:7005
"andy"
127.0.0.1:7005> 
127.0.0.1:7005>

从7001节点连入，自动跳转到7005节点，并且获取name值。

现在我们将7002节点恢复，看是否会自动加入集群中以及充当的M还是S节点。

[root@localhost redis-cluster]# cd 7002
[root@localhost 7002]# ./redis-server redis.conf 
[root@localhost 7002]#
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