Redis学习之七 —— Redis Cluster

浅浅的花香味﹌ 2022-02-19 14:57 279阅读 0赞

Redis 作者自己提供 Redis 集群化方案。

相较于 Codis 的不同，它是去中心化的，如图所示，该集群有三个 Redis 节点组成，每个节点负责整个集群的一部分数据，每个节点负责的数据多少可能不一样。这三个节点相互连接成一个对等的集群，它们之间通过一种特殊的二进制协议相互交互集群信息。

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Redis Cluster 将所有数据划分为 16384 的 slots，它比 Codis 的 1024 个槽划分的更为精细，每个节点负责其中一部分槽位。槽位的信息存储于每个节点中，它不像 Codis，它不需要另外的分布式存储来存储节点槽位信息。

当 Redis Cluster 的客户端来连接集群时，它也会得到一份集群的槽位配置信息。这样当客户端要查找某个 key 时，可以直接定位到目标节点。

# 槽位定位算法 #

Cluster 默认会对 key 值使用 crc32 算法进行hash得到一个整数值，然后用这个整数值对 16384 进行取模来得到具体槽位。

Cluster 还允许用户强制某个 key 挂在特定槽位上，通过在 key 字符串里面嵌入 tag 标记，这就可以强制 key 所挂在的槽位等于 tag 所在的槽位。

# 跳转 #

当客户端像一个错误的节点发出了指令，该节点会发现指令的 key 所在的槽位并不归自己管理，这时它会向客户端发送一个特殊的跳转指令携带目标操作的节点地址告诉客户端去连这个节点去获取数据。

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MOVED 指令前面有 减号，表示该指令是一个错误消息。参数3999 是 key 对应的槽位编号，后面是目标节点地址。

收到消息后客户端会立即纠正本地的槽位映射表。后续所有key 将使用新的槽位映射表。

# 迁移 #

Redis Cluster 提供了工具 redis-trib 可以让运维人员手动调整槽位的分配情况，它使用 Ruby 语言进行开发，通过组合各种原生的 Redis Cluster 指令来实现。

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Redis 迁移的单位是槽，Redis 一个槽一个槽进行迁移，当一个槽正在迁移时这个槽就处于中间过渡状态。这个槽在原节点的状态为 migrating，在目标节点的状态为 importing，表示数据正在从源流向目标。

迁移工具 redis-trib 首先会在源和目标节点设置好中间过渡状态，然后一次性获取源节点槽位的所有 key 列表，再挨个key 进行迁移。每个key 的迁移过程是以原节点作为目标节点的 【客户端】原节点对当前的 key 执行 dump指令得到序列化内容，然后通过【客户端】向目标节点发送指令 restore 携带序列化的内容作为参数，目标节点再进行反序列化就可以将内容恢复到目标节点的内存中，然后返回【客户端】 OK，原节点【客户端】收到后再把当前节点的 key 删除掉就完成了单个 key 迁移的整个过程。

**从源节点获取内容 =>  存到目标节点  =>  从源节点删除内容。**

迁移的过程是同步的，在目标节点执行 restore 指令到原节点删除key 之间，原节点的主线程会处于阻塞状态，直到 key 被成功删除。

如果迁移过程中突然出现网络故障，整个 slot 的迁移只进行了一般。这时两个节点依旧处于中间过渡状态。待下次迁移工具重新连上时，会提示用户继续进行迁移。

在迁移中，如果每个 key 的内容都很小，migrate 指令执行会很快，它就并不会影响客户端的正常访问。如果key 的内容很大，因为migrate 指令是阻塞指令会同时导致原节点和目标节点卡顿，影响集群的稳定性。所以集群环境下业务逻辑尽可能避免大 key 的产生。

在迁移过程中，客户端访问的流程会有很大的变化。

首先新旧两个节点对应的槽位都存在部分 key 数据。客户端先尝试访问旧节点，如果对应的数据还在旧节点里面，那么旧节点正常处理。如果对应的数据不再旧节点里面，那么有两种可能，要么该数据在新节点里，要么根本就不存在。旧节点不知道不知道是哪种情况，所以它会向客户端返回一个 -ASK targetNodeAddr 的重定向指令。客户端收到这个重定向指令后，先去目标节点执行一个不带任何参数的 asking 指令，然后在目标节点再重新执行原先的操作指令。

为什么需要执行一个不带参数的 asking 指令呢？

因为在迁移没有完成之前，按理说这个槽位还是不归新节点管理的，如果这个时候向目标节点发送该槽位的指令，节点是不认的，它会向客户端返回一个 -MOVED 重定向指令告诉它去源节点去执行。如此就会形成 重定向循环。asking 指令的目标就是打开目标节点的选项，告诉它下一条指令不能不理而要当成自己的槽位来处理。

从以上过程可以看出，迁移是会影响服务效率的。

# 容错 #

Redis Cluster 可以为每个主节点设置若干个从节点，单主节点故障时，集群会自动将其中某个从节点提升为主节点。如果某个主节点没有从节点，那么当它发生故障时，集群将完全处于不可用状态。不过 Redis 也提供了一个参数 cluster-require-full-coverage 可以允许部分节点故障，其他节点还可以继续提供对外访问。

# 网络抖动 #

真实世界的机房网络往往并不是风平浪静的，它们经常会发生各种各样的小问题。比如网络抖动，突然之间部分连接变得不可访问，然后很快又恢复正常。

为了解决这个问题，Redis Cluster 提供了一种选项 cluster-node-timeout，表示当某个节点持续 timeout 的时间失联时，才可以认定该节点出现故障，需要进行主从切换。如果没有这个选项，网络抖动会导致主从频繁切换。

还有另一个选项 cluster-slave-validity-factor 作为被乘系数来放大这个超时时间。

# 可能下线（PFAIL-Possibly Fail） 与 确定下线（Fail） #

因为 Redis Cluster 是去中心化的，一个节点认为某个节点失联了并不代表所有的节点都认为它失联了。所以集群还要经过一次协商的过程，只有当大多数节点都认定了某个节点失联了，集群才认为该节点需要进行主从切换来容错。

Redis 集群节点采用 Gossip 协议来广播自己的状态以及自己对整个集群认知的改变。比如一个节点发现某个节点失联了（PFail），它会将这条信息向整个集群广播，其他节点也就可以收到这点失联信息。如果一个节点收到某个节点失联的数量已经达到了集群的大多数，就可以标记该节点为确定下线状态（Fail），然后向整个集群广播，强迫其他节点也接收该节点已经下线的事实，并立即对该失联节点进行主从切换。

# 槽位迁移感知 #

如果 Cluster 中某个槽位正在迁移或者已经迁移完了，Client 如何能感知到槽位的变化呢？客户端保存了槽位和节点的映射关系表，它需要即时得到更新，才可以正常地将某条指令发到正确的节点中。

Cluster 有两个特殊的 error 指令，一个是 moved，一个是 asking。

第一个 moved 用来纠正槽位的。如果我们将指令发送到了错误的节点，该节点发现对应的指令槽位不归自己管理，就会将目标节点的地址随同 moved 指令回复给客户端通知客户端去目标节点去访问。这个时候客户端就会刷新自己的槽位关系表，然后重试指令，后续所有打在该槽位的指令都会转到目标节点。

第二个 asking 指令 和 moved 不一样，它是用来临时纠正槽位的。如果当前槽位正处于迁移中，指令会先被发送到槽位所在的旧节点，如果旧节点存在数据，那就直接返回结果，如果不存在，那么它可能真的不存在或者可能在迁移目标节点上。所以旧节点会通知客户端去新节点尝试一下拿数据，看看新节点有没有。这时候就会给客户端返回一个 asking error 携带上目标节点的地址。客户端收到这个 asking error 后，就会去目标节点去尝试。客户端不会刷新槽位映射关系表，因为它只是临时纠正该指令的槽位信息，不影响后续指令。

# 集群变更感知 #

当服务器节点变更时客户端应该即时得到通知以实时刷新自己的节点关系表。那客户端是如何得到通知的？两种情况：

1. 目标节点挂掉了，客户端会抛出一个 ConnectionError，紧接着会随机挑一个节点来重试，这时被重试的节点会通过 moved error 告知目标槽位被分配到的新的节点地址。

2. 运维手动修改了集群信息，将 master 切换到其他节点，并将旧的 master 移除集群。这时打在旧节点上的指令会收到一个 ClusterDown 的错误，告知当前节点所在集群不可用（当前节点已经被孤立了，它不再属于之前的集群）。这时客户端就会关闭所有连接，清空槽位映射关系表，然后向上层抛错。待下一条指令过来时，就会重新尝试初始化节点信息。

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