redis 系列26 Cluster高可用 (1)

一.概述

　　Redis集群提供了分布式数据库方案，集群通过分片来进行数据共享，并提供复制和故障转移功能。在大数据量方面的高可用方案，cluster集群比Sentinel有优势。但Redis集群并不支持处理多个keys的命令,因为这需要在不同的节点间移动数据，而达不到像Redis那样的性能,在高负载的情况下可能会导致不可预料的错误。学习集群同样先了解一些原理方面包括：节点、槽指派、命令执行、重新分片，转向、故障转移、消息。后面再操作集群演示。关于集群搭建后面会列出实现步骤，也可参考Redis官网的实现步骤：http://www.redis.cn/topics/cluster-tutorial.html

　　1.1 节点

　　　　一个Redis集群通常由多个节点(node)组成，开始每个节点都是相互独立的，需要将独立的节点连接起来，构成一个包含多节点的集群。连接各节点的工作使用cluster meet命令来完成，格式如下:

        cluster meet ip  port    

　　　　向一个节点发送该命令，可以让发送的节点与指定的节点进行握手，握手成功时，指定的节点就会添加到发送节点当前所在的集群中。例如：有三个独立的节点，端口分别为:7000, 7001,7002。首先使用客户端连接上节点7000, 通过发送cluster nodes命令可以看到，集群目前只包含7000自己一个节点，通过cluster nodes查看信息如下：

    /usr/local/redis/bin
    [root@hsr bin]# ./redis-cli -c -p  -a
    127.0.0.1:> cluster nodes
    142116fa16006f39865ebe604d1580c119fa0fea :7000@17000     myself,master - 0 0 0 connected

　　　　通过向节点7000发送以下命令，可以将节点7001 添加到7000所在的集群中：

    127.0.0.1:> cluster meet 127.0.0.1
    OK

　　　　继续向节点7000发送以下命令，可以将节点7002也添加到7000和7001所在的集群中：

    127.0.0.1:> cluster meet 127.0.0.1
    OK

　　　　三个节点握手成功，使三个节点都处于同一个集群中，再次查看集群节点情况，三个节点都connected连接成功：

    127.0.0.1:> cluster nodes
　　0eed9cc9122d2724365550b70965c2a8e281043d 127.0.0.1:@ master -    connected
　　aeaaeacb8b4d4c4a3bca3c6f52fc4b363e68f083 127.0.0.1:@ master -    connected
　　142116fa16006f39865ebe604d1580c119fa0fea 127.0.0.1:@ myself,master -    connected

　　　　cluster nodes由以下字段组成，表格如下：

字段名	描述	节点7002的字段值
id	节点 ID，一个40个字符的随机字符串	0eed9cc9122d2724365550b70965c2a8e281043d
ip:port	客户端应该联系节点以运行查询的节点地址	127.0.0.1:7002
flags	逗号列表分隔的标志，myself，master，slave，fail等	master
master	如果节点是从属节点，并且主节点已知，则节点ID为主节点，否则为“ - ”字符	-
ping-sent	毫秒为单位的当前激活的ping发送的unix时间	1545632759414
config-epoch	当前节点的配置时期，每次发生故障切换时，都会创建一个新的，唯一的	2>
link-state	用于节点到节点集群总线的链路状态。我们使用此链接与节点进行通信	connected
slot	在connected后面还会显示槽号范围	分配槽后显示

　　　　(1)  启动节点

　　　　　　一个节点就是一个运行在集群模式下的Redis服务器，Redis服务器在启动时会根据cluster-enabled 配置选项是否为yes来决定是否开启服务器的集群模式。每个节点还是与普通redis服务一样，具备所有功能比如：支持RDB、AOF持久化、发布与订阅、保存键值对、复制 等等。对于集群模式才会用到的数据，内部保存在cluster.h/clusterState结构中。

　　　　(2) 集群数据结构

　　　　　　内部clusterNode结构保存了一个节点的当前状态，比如节点的创建时间、节点的名字、节点当前的配置纪元、节点的IP、Port等等。每个节点都会使用一个clusterNode结构来记录自己的状态，并为集群中的所有其它节点(包括主从)都会创建一个相应的clusterNode结构, 以此来记录其它节点的状态。该结构中的属性不再介绍，详细请查看"redis设计与实现"书。

　　　　(3) cluster meet 命令的实现

　　　　上面讲到通过cluster meet 命令，可以使节点与指定的节点进行握手形成集群。假设有节点A和B 握手的步骤包括：

　　　　　　(1) 在客户端向节点A发送一条 cluster meet  B命令时，节点A会为节点B创建一个ClusterNode结构，并将该结构添加到自己的ClusterState.nodes字典中。

　　　　　　(2) 向节点B发送meet后，如果顺利节点B将接收到节点A消息，节点B会为节点A创建一个ClusterNode结构, 并将该结构添加到自己的ClusterState.nodes字典中。

　　　　　　(3) 节点B 将向节点A返回一条PONG消息。

　　　　　　(4) 节点A接收B返回的消息，能过这条PONG消息节点A知道节点B已经成功接收到了自己发送的MEET消息。

　　　　　　(5) 节点A将向B返回一条PING消息。

　　　　　　(6) 节点B将接收A的消息，通过这条PING消息节点B知道节点A已经成功接收到了自己返回的PONG消息，握手成功。

　　　　之后节点A会将节点B的信息通过Gossip协议传播给集群中的其他节点，让其他节点也与节点B进行握手，最终节点B会被集群中所有节点认识。

　　1.2  槽指派　

　　　　Redis集群通过分片的方式来保存数据库中的键值对：集群的整个 数据库被分为16384个槽(slot), 数据库中的每个键都属于这16384 个slot其中一个，集群中的每个节点可以处理0个或最多16384个slot。当数据库中的16384个slot都有在节点中分配时，此时集群处于上线状态(OK)，相反如果任何一个slot没有得到分配，那么集群处于下线状态(fail)。

　　　　在节点7000的客户端通过cluster info可以查看，因为集群中的三个节点都没有在处理任何slot，所以处于下线状态。能过cluster info来查看集群为fail状态，如下所示：

    127.0.0.1:> cluster info
    cluster_state:fail
    cluster_slots_assigned:
    cluster_slots_ok:
    cluster_slots_pfail:
    cluster_slots_fail:
    cluster_known_nodes:

　　　　通向节点发送cluster addslots命令，可以将一个或多个slot指派给某节点负责。例如将slot 0 到5000指派给节点7000负责，手动添加槽时，一定要退出redis客户端，命令如下：

     [root@hsr bin]# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p  -a  cluster addslots {..}
     OK

　　　　在登到redis客户端，查看集群节点的槽分配情况，可以看到7000节点已分配了0-5000的槽范围：

    [root@hsr bin]# ./redis-cli -c -p  -a
    127.0.0.1:> cluster nodes
　　0eed9cc9122d2724365550b70965c2a8e281043d 127.0.0.1:@ master -    connected
　　aeaaeacb8b4d4c4a3bca3c6f52fc4b363e68f083 127.0.0.1:@ master -    connected
　　142116fa16006f39865ebe604d1580c119fa0fea 127.0.0.1:@ myself,master -    connected 0-5000

　　　　为了让7000、7001、7002三个节点所在的集群进入上线状态，继续将slot  5001~10000指派给节点7001。 将slot 10001~16383指派给7002。当三个cluster addslots 命令都执行后，数据库中的16383个slot都已经指派给了相应的节点，集群进入上线状态。

    [root@hsr bin]# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p  -a  cluster addslots {..}
    OK
    [root@hsr bin]# ./redis-cli -h 127.0.0.1 -p  -a  cluster addslots {..}
    OK

　　　　此时已经进入集群进入上线状态：如下所示：

    127.0.0.1:> cluster info
    cluster_state:ok
    cluster_slots_assigned:
    cluster_slots_ok:
    cluster_slots_pfail:
    cluster_slots_fail:
    cluster_known_nodes:
    cluster_size:

　　127.0.0.1:> cluster nodes
　　a9e82a7870ac31c221a4d13b28ba9897bb12257c 127.0.0.1:@ myself,master -    connected 0-5000
　　3b10786d21bbeb66e3517e8d3daa3ee2ce16705e 127.0.0.1:@ master -    connected 5001-10000
　　7bd0cbd26392d1e98ffe9d46ae153c944d8f398d 127.0.0.1:@ master -    connected 10001-16383

　　　　一个节点除了会将自己负责处理的slot外，还会将自己的slot数组通过消息发送给集群中的其他节点，以此来告知其他节点自己目前处理哪些slot。例如：当节点A  通过消息从节点B那里接收到节点B的slot数组时，节点A会在自己的ClusterState.nodes字典中查找节点B对应的ClusterState结构，并对结构中的slots数组进行保存或更新。这样下来集群中的每个节点都会知道数据库中的16384个slot分别被指派给了集群中的哪些节点。

　　　　下图是集群中各节点的ClusterState.nodes字典，里面记录了slot与各节点的分配关系：

　　　　

　　1.3  在集群中执行命令　　

　　　　在对数据库中的16384个slot都进行了指派之后，集群进入上线状态，这时客户端就可以向集群中的节点发送数据命令了。当客户端向节点发送键有关的命令时，接收的节点会计算出命令要处理的键属于哪个slot，并检查这个slot是否派给了节点自己：

　　　　(1)如果键所在的slot正好就指派给了当前节点，那么节点直接执行这个命令。

　　　　(2)如果键所在的slot并没有指派给当前节点,那么节点会向客户端返回一个moved错误，指引客户端转向到正确的节点，并再次发送之前想要的执行命令。

　　　　自动分配节点和槽号，示例如下所示：

     -- 在节点7000写入一个键值对,发现自动分配到7001的14041槽号中。
     127.0.0.1:> set cluster "hello 7000"
     -> Redirected to slot [] located at 127.0.0.1:
    OK

     --节点7000，读取该键，自动重定向到7001节点中出读取
     127.0.0.1:> get cluster
     -> Redirected to slot [] located at 127.0.0.1:
     "hello 7000"

      --节点7000, 修改该键，自动重定向到7001节点中出修改
    127.0.0.1:> set cluster "hello 7001"
    -> Redirected to slot [] located at 127.0.0.1:
     OK
 

　　　　(1) 计算键属于哪个slot槽

　　　　redis 集群共有16384个哈希槽, 每个key通过CRC16校验后对16384个槽取模来决定放置到哪个节点的槽号。使用cluster keyslot  key命令可以查看一个指定的键属于哪个slot，例如下面读取cluster键，对应槽号为14041。如下所示：

    127.0.0.1:> cluster keyslot cluster
    (integer) 

　　　　(2) moved错误(Redirected重定向 )

　　　　当节点发现键所在的槽并非由自己负责处理的时候，节点就会向客户端返回一个moved错误，指引客户端转向到正在负责槽的节点。moved错误格式为:moved slot ip :port。 其中slot为键所在的槽，而ip和port则是负责处理槽slot的节点的ip地址和端口号。

　　　　在集群模式下客户端接收到moved错误时，并不会打印出moved错误，而是根据moved错误自动进行节点转向，并打印出转向日志Redirected to slot 信息。只有在单机模式下，才会打印moved信息，因为单机模式下的redis-cli客户端不清楚moved错误的作用，所以会直接将moved信息打印出来，则不是进行节点转向。

　　　　(3) 节点数据库的实现

　　　　集群节点保存键值对以及键值对 过期的方式与单机redis服务方式完全相同，节点与单机服务器在数据库方面的一个区别是：节点只能使用0号数据库，而单机redis服务则没有这一限制。

　　　　

　　1.4 重新分片

　　　　Redis集群的重新分片操作可以将任意数量已经指派给某个节点(源节点)的槽改为指派给另一个节点，并且相关槽所属的键值对也会从源节点被移动到目标节点。重新分片操作可以在线online进行,重新分片过程中，集群不需要下线，并且源节点和目标节点都可以继续处理命令请求。

　　　　例如：在原有节点7000,7001,7002三个节点的集群上，新添加一个节点，端口为7003，然后通过重新分片操作，将原本指派给节点7002的10001~16383的槽，将其中的14042-16383重新分给节点7003。　　

    -- 配置好7003的redis.conf, 启动7003的redis服务
    [root@hsr cluster-test]# pwd
    /usr/local/redis/cluster-test
    [root@hsr cluster-test]# ./redis-server  .//redis.conf

    -- 将7003加入集群中
    127.0.0.1:> cluster meet 127.0.0.1
    OK

    -- 查看集群信息时，有两个槽(,)已经自动分配到了7003节点
　　127.0.0.1:> cluster nodes
　　399051ed127fbd1df8a0455858da9c103bf4864a 127.0.0.1:@ master -    connected 4808 14041
　　a9e82a7870ac31c221a4d13b28ba9897bb12257c 127.0.0.1:@ myself,master -    connected - -
　　3b10786d21bbeb66e3517e8d3daa3ee2ce16705e 127.0.0.1:@ master -    connected -
　　7bd0cbd26392d1e98ffe9d46ae153c944d8f398d 127.0.0.1:@ master -    connected - -

　　 通过setslot来简单演示下重新分配槽：

　　　　在迁移(目的节点)执行cluster setslot <slot> IMPORTING <node ID>命令，指明需要迁移的slot和迁移源节点。

　　　　下面登录到7003目的节点，使用cluster setslot将参数14042槽号以及所在的源节点ID，导入到当前7003节点中。

    127.0.0.1:> cluster setslot  importing 7bd0cbd26392d1e98ffe9d46ae153c944d8f398d
    OK

    -- 查看cluster nodes ，7003节点信息如下：
    399051ed127fbd1df8a0455858da9c103bf4864a 127.0.0.1:@ myself,master -    connected   
   [14042-<-7bd0cbd26392d1e98ffe9d46ae153c944d8f398d]

　　

　　取消迁移操作，可在迁移源节点和迁移目的节点上执行cluster setslot <slot> STABLE。下篇介绍使用redis-trib.rb来进行重新分片，redis-trib.rb自动实现了setslot的完整的迁移流程。