Redis 集群教程

本文档是Redis集群的入门教程, 从用户的角度介绍了设置、测试和操作集群的方法。

本教程不包含晦涩难懂的分布式概念, 也没有像Redis 集群规范那样包含Redis 集群的实现细节, 如果你打算深入地学习 Redis 集群的部署方法, 那么推荐你在阅读完这个教程之后, 再去看一看集群规范。

Redis 集群目前仍处于Alpha测试版本, 如果在使用过程中发现任何问题, 请到Redis 邮件列表 发贴, 或者到Redis的Github页面报告错误。

集群简介

Redis 集群是一个可以在多个 Redis 节点之间进行数据共享的设施(installation)。

Redis 集群不支持那些需要同时处理多个键的 Redis 命令, 因为执行这些命令需要在多个 Redis 节点之间移动数据, 并且在高负载的情况下,这些命令将降低 Redis 集群的性能, 并导致不可预测的行为。

Redis 集群通过分区(partition)来提供一定程度的可用性(availability): 即使集群中有一部分节点失效或者无法进行通讯, 集群也可以继续处理命令请求。

Redis 集群提供了以下两个好处:

将数据自动切分(split)到多个节点的能力。当集群中的一部分节点失效或者无法进行通讯时,仍然可以继续处理命令请求的能力。

Redis 集群数据共享

Redis 集群使用数据分片(sharding)而非一致性哈希(consistency hashing)来实现: 一个 Redis 集群包含 16384 个哈希槽(hash slot), 数据库中的每个键都属于这 16384 个哈希槽的其中一个, 集群使用公式 CRC16(key) % 16384 来计算键 key 属于哪个槽, 其中 CRC16(key) 语句用于计算键 key 的 CRC16 校验和 。

集群中的每个节点负责处理一部分哈希槽。 举个例子, 一个集群可以有三个哈希槽,其中:

节点 A 负责处理 0 号至 5500 号哈希槽。

节点 B 负责处理 5501 号至 11000 号哈希槽。

节点 C 负责处理 11001 号至 16384 号哈希槽。

这种将哈希槽分布到不同节点的做法使得用户可以很容易地向集群中添加或者删除节点。

比如说:

如果用户将新节点 D 添加到集群中, 那么集群只需要将节点 A 、B 、 C 中的某些槽移动到节点 D 就可以了。与此类似, 如果用户要从集群中移除节点 A , 那么集群只需要将节点 A 中的所有哈希槽移动到节点 B 和节点 C , 然后再移除空白(不包含任何哈希槽)的节点 A 就可以了。因为将一个哈希槽从一个节点移动到另一个节点不会造成节点阻塞, 所以无论是添加新节点还是移除已存在节点, 又或者改变某个节点包含的哈希槽数量, 都不会造成集群下线。

Redis 集群中的主从复制

为了使得集群在一部分节点下线或者无法与集群的大多数(majority)节点进行通讯的情况下, 仍然可以正常运作, Redis 集群对节点使用了主从复制功能: 集群中的每个节点都有 1 个至 N 个复制品(replica), 其中一个复制品为主节点(master), 而其余的 N-1 个复制品为从节点(slave)。

在之前列举的节点 A 、B 、C 的例子中, 如果节点 B 下线了, 那么集群将无法正常运行, 因为集群找不到节点来处理 5501 号至 11000 号的哈希槽。

另一方面, 假如在创建集群的时候(或者至少在节点 B 下线之前), 我们为主节点 B 添加了从节点 B1 , 那么当主节点 B 下线的时候, 集群就会将 B1 设置为新的主节点, 并让它代替下线的主节点 B , 继续处理 5501 号至 11000 号的哈希槽, 这样集群就不会因为主节点 B 的下线而无法正常运作了。

不过如果节点 B 和 B1 都下线的话, Redis 集群还是会停止运作。

Redis 集群的一致性保证(guarantee)

Redis 集群不保证数据的强一致性(strong consistency): 在特定条件下, Redis 集群可能会丢失已经被执行过的写命令。

使用异步复制(asynchronous replication)是 Redis 集群可能会丢失写命令的其中一个原因。 考虑以下这个写命令的例子:

客户端向主节点 B 发送一条写命令。

主节点 B 执行写命令,并向客户端返回命令回复。

主节点 B 将刚刚执行的写命令复制给它的从节点 B1 、 B2 和 B3 。

如你所见, 主节点对命令的复制工作发生在返回命令回复之后, 因为如果每次处理命令请求都需要等待复制操作完成的话, 那么主节点处理命令请求的速度将极大地降低 —— 我们必须在性能和一致性之间做出权衡。如果真的有必要的话, Redis 集群可能会在将来提供同步地(synchronou)执行写命令的方法。

Redis 集群另外一种可能会丢失命令的情况是, 集群出现网络分裂(network partition), 并且一个客户端与至少包括一个主节点在内的少数(minority)实例被孤立。

举个例子, 假设集群包含 A 、 B 、 C 、 A1 、 B1 、 C1 六个节点, 其中 A 、B 、C 为主节点, 而 A1 、B1 、C1 分别为三个主节点的从节点, 另外还有一个客户端 Z1 。假设集群中发生网络分裂, 那么集群可能会分裂为两方, 大多数(majority)的一方包含节点 A 、C 、A1 、B1 和 C1 , 而少数(minority)的一方则包含节点 B 和客户端 Z1 。

在网络分裂期间, 主节点 B 仍然会接受 Z1 发送的写命令:如果网络分裂出现的时间很短, 那么集群会继续正常运行;但是, 如果网络分裂出现的时间足够长, 使得大多数一方将从节点 B1 设置为新的主节点, 并使用 B1 来代替原来的主节点 B , 那么 Z1 发送给主节点 B 的写命令将丢失。

注意, 在网络分裂出现期间, 客户端 Z1 可以向主节点 B 发送写命令的最大时间是有限制的, 这一时间限制称为节点超时时间(node timeout), 是 Redis 集群的一个重要的配置选项:

对于大多数一方来说, 如果一个主节点未能在节点超时时间所设定的时限内重新联系上集群, 那么集群会将这个主节点视为下线, 并使用从节点来代替这个主节点继续工作。

对于少数一方, 如果一个主节点未能在节点超时时间所设定的时限内重新联系上集群, 那么它将停止处理写命令, 并向客户端报告错误。

创建并使用 Redis 集群

Redis 集群由多个运行在集群模式(cluster mode)下的 Redis 实例组成, 实例的集群模式需要通过配置来开启, 开启集群模式的实例将可以使用集群特有的功能和命令。

以下是一个包含了最少选项的集群配置文件示例:

port 7000

cluster-enabled yes

cluster-config-file nodes.conf

cluster-node-timeout 5000

appendonly yes 文件中的 cluster-enabled 选项用于开实例的集群模式, 而 cluster-conf-file 选项则设定了保存节点配置文件的路径, 默认值为 nodes.conf 。节点配置文件无须人为修改, 它由 Redis 集群在启动时创建, 并在有需要时自动进行更新。

要让集群正常运作至少需要三个主节点, 不过在刚开始试用集群功能时, 强烈建议使用六个节点: 其中三个为主节点, 而其余三个则是各个主节点的从节点。

首先, 让我们进入一个新目录, 并创建六个以端口号为名字的子目录, 稍后我们在将每个目录中运行一个 Redis 实例:

mkdir cluster-test

cd cluster-test

mkdir 7000 7001 7002 7003 7004 7005

在文件夹 7000 至 7005 中, 各创建一个 redis.conf 文件, 文件的内容可以使用上面的示例配置文件, 但记得将配置中的端口号从 7000 改为与文件夹名字相同的号码。

现在, 从 Redis Github 页面 的 unstable 分支中取出最新的 Redis 源码, 编译出可执行文件 redis-server , 并将文件复制到 cluster-test 文件夹, 然后使用类似以下命令, 在每个标签页中打开一个实例:

cd 7000

../redis-server ./redis.conf

实例打印的日志显示, 因为 nodes.conf 文件不存在, 所以每个节点都为它自身指定了一个新的 ID :

[82462] 26 Nov 11:56:55.329 * No cluster configuration found, I'm 97a3a64667477371c4479320d683e4c8db5858b1

实例会一直使用同一个 ID , 从而在集群中保持一个独一无二(unique)的名字。

每个节点都使用 ID 而不是 IP 或者端口号来记录其他节点, 因为 IP 地址和端口号都可能会改变, 而这个独一无二的标识符(identifier)则会在节点的整个生命周期中一直保持不变。

我们将这个标识符称为节点 ID。

创建集群

现在我们已经有了六个正在运行中的 Redis 实例, 接下来我们需要使用这些实例来创建集群,并为每个节点编写配置文件。

通过使用 Redis 集群命令行工具 redis-trib , 编写节点配置文件的工作可以非常容易地完成: redis-trib 位于 Redis 源码的 src 文件夹中, 它是一个 Ruby 程序, 这个程序通过向实例发送特殊命令来完成创建新集群, 检查集群, 或者对集群进行重新分片(reshared)等工作。

我们需要执行以下命令来创建集群:

./redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7000 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 命令的意义如下:

给定 redis-trib.rb 程序的命令是 create ,这表示我们希望创建一个新的集群。选项 --replicas 1 表示我们希望为集群中的每个主节点创建一个从节点。之后跟着的其他参数则是实例的地址列表, 我们希望程序使用这些地址所指示的实例来创建新集群。简单来说, 以上命令的意思就是让 redis-trib 程序创建一个包含三个主节点和三个从节点的集群。接着, redis-trib 会打印出一份预想中的配置给你看, 如果你觉得没问题的话, 就可以输入 yes , redis-trib 就会将这份配置应用到集群当中:

>>> Creating cluster

Connecting to node 127.0.0.1:7000: OK

Connecting to node 127.0.0.1:7001: OK

Connecting to node 127.0.0.1:7002: OK

Connecting to node 127.0.0.1:7003: OK

Connecting to node 127.0.0.1:7004: OK

Connecting to node 127.0.0.1:7005: OK

>>> Performing hash slots allocation on 6 nodes...

Using 3 masters:

127.0.0.1:7000

127.0.0.1:7001

127.0.0.1:7002

127.0.0.1:7000 replica #1 is 127.0.0.1:7003

127.0.0.1:7001 replica #1 is 127.0.0.1:7004

127.0.0.1:7002 replica #1 is 127.0.0.1:7005

M: 9991306f0e50640a5684f1958fd754b38fa034c9 127.0.0.1:7000

slots:0-5460 (5461 slots) master

M: e68e52cee0550f558b03b342f2f0354d2b8a083b 127.0.0.1:7001

slots:5461-10921 (5461 slots) master

M: 393c6df5eb4b4cec323f0e4ca961c8b256e3460a 127.0.0.1:7002

slots:10922-16383 (5462 slots) master

S: 48b728dbcedff6bf056231eb44990b7d1c35c3e0 127.0.0.1:7003

S: 345ede084ac784a5c030a0387f8aaa9edfc59af3 127.0.0.1:7004

S: 3375be2ccc321932e8853234ffa87ee9fde973ff 127.0.0.1:7005

Can I set the above configuration? (type 'yes' to accept): yes 输入 yes 并按下回车确认之后, 集群就会将配置应用到各个节点, 并连接起(join)各个节点 —— 也即是, 让各个节点开始互相通讯:

>>> Nodes configuration updated

>>> Sending CLUSTER MEET messages to join the cluster

Waiting for the cluster to join...

>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7000)

M: 9991306f0e50640a5684f1958fd754b38fa034c9 127.0.0.1:7000

slots:0-5460 (5461 slots) master

M: e68e52cee0550f558b03b342f2f0354d2b8a083b 127.0.0.1:7001

slots:5461-10921 (5461 slots) master

M: 393c6df5eb4b4cec323f0e4ca961c8b256e3460a 127.0.0.1:7002

slots:10922-16383 (5462 slots) master

M: 48b728dbcedff6bf056231eb44990b7d1c35c3e0 127.0.0.1:7003

slots: (0 slots) master

M: 345ede084ac784a5c030a0387f8aaa9edfc59af3 127.0.0.1:7004

slots: (0 slots) master

M: 3375be2ccc321932e8853234ffa87ee9fde973ff 127.0.0.1:7005

slots: (0 slots) master

[OK] All nodes agree about slots configuration. 如果一切正常的话, redis-trib 将输出以下信息:

>>> Check for open slots...

>>> Check slots coverage...

[OK] All 16384 slots covered. 这表示集群中的 16384 个槽都有至少一个主节点在处理, 集群运作正常。

集群的客户端

Redis 集群现阶段的一个问题是客户端实现很少。 以下是一些我知道的实现:redis-rb-cluster 是我(@antirez)编写的 Ruby 实现, 用于作为其他实现的参考。 该实现是对 redis-rb 的一个简单包装, 高效地实现了与集群进行通讯所需的最少语义(semantic)。

redis-py-cluster 看上去是 redis-rb-cluster 的一个 Python 版本, 这个项目有一段时间没有更新了(最后一次提交是在六个月之前), 不过可以将这个项目用作学习集群的起点。

流行的 Predis 曾经对早期的 Redis 集群有过一定的支持, 但我不确定它对集群的支持是否完整, 也不清楚它是否和最新版本的 Redis 集群兼容 (因为新版的 Redis 集群将槽的数量从 4k 改为 16k 了)。Redis unstable 分支中的 redis-cli 程序实现了非常基本的集群支持, 可以使用命令 redis-cli -c 来启动。

测试 Redis 集群比较简单的办法就是使用 redis-rb-cluster 或者 redis-cli , 接下来我们将使用 redis-cli 为例来进行演示:

$ redis-cli -c -p 7000

redis 127.0.0.1:7000> set foo bar

-> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002

OK

redis 127.0.0.1:7002> set hello world

-> Redirected to slot [866] located at 127.0.0.1:7000

OK

redis 127.0.0.1:7000> get foo

-> Redirected to slot [12182] located at 127.0.0.1:7002

"bar"

redis 127.0.0.1:7000> get hello

-> Redirected to slot [866] located at 127.0.0.1:7000

"world" redis-cli 对集群的支持是非常基本的, 所以它总是依靠 Redis 集群节点来将它转向(redirect)至正确的节点。一个真正的(serious)集群客户端应该做得比这更好: 它应该用缓存记录起哈希槽与节点地址之间的映射(map), 从而直接将命令发送到正确的节点上面。

这种映射只会在集群的配置出现某些修改时变化, 比如说, 在一次故障转移(failover)之后, 或者系统管理员通过添加节点或移除节点来修改了集群的布局(layout)之后, 诸如此类。

原文发布于微信公众号 - 马哥Linux运维(magedu-Linux)

原文发表时间:2014-07-02

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