Redis集群架构

知识点回顾

Redis主从架构

Redis主从架构的工作模式为提供多台Redis服务，选择其中的一台作为master节点向外提供读写服务，剩下的作为slave节点从master节点复制数据，只向外提供读服务。

Redis哨兵架构

Redis哨兵架构实现了对所有Redis节点的监控和Master的自动故障转移。

集群架构概述

一般情况下来说，上面两种方式结合起来使用已经可以满足大部分的Redis高可用场景，但它有一个很明显的缺点：只有一台Master节点向外提供写服务，其他的Slave节点只能提供读服务。所以，当写操作并发量很大的，无法缓解写操作的压力。针对这种场景，Redis在3.0版本中引入了Redis集群的部署架构。

Redis集群架构（Redis Cluster）是Redis 3.0开始引入的一种分布式存储架构，该架构由多个Redis节点组成，所有的数据分布在不同的节点中。

Redis集群架构中的节点可以分为主节点和从节点： （1）主节点负责读写请求和集群信息的维护。 （2）从节点只进行主节点数据和状态的复制。

集群架构特性

Redis集群是一个提供在多个Redis节点之间共享数据的程序集。它并不像Redis主从复制模式那样只提供一个Master节点提供写服务，而是会提供多个Master节点提供写服务，每个Master节点中存储的数据都不一样，这些数据通过数据分片的方式被自动分割到不同的Master节点上。

为了保证集群的高可用，每个Master节点下面还需要添加至少1个Slave节点，这样当某个Master节点发生故障后，可以从它的Slave节点中选举一个作为新的Master节点继续提供服务。这样就组成了下图中的结构模式：

Redis集群架构示意图

集群架构哈希槽

Redis集群中引入了哈希槽的概念，Redis集群有16384个哈希槽，进行set操作时，每个key会通过CRC16校验后再对16384取模来决定放置在哪个槽，搭建Redis集群时会先给集群中每个Master节点分配一部分哈希槽。比如当前集群有3个Master节点，master1节点包含05500号哈希槽，master2节点包含550111000号哈希槽，master3节点包含11001~16384号哈希槽，当我们执行“set key value”时，假如 CRC16(key) % 16384 = 777，那么这个key就会被分配到master1节点上，如下图：

Redis集群架构哈希槽示意图

集群架构通信

既然Redis集群中的数据是通过哈希槽的方式分开存储的，那么集群中每个节点都需要知道其他所有节点的状态信息，包括当前集群状态、集群中各节点负责的哈希槽、集群中各节点的master-slave状态、集群中各节点的存活状态等。Redis集群中，节点之间通过建立TCP连接，使用gossip协议来传播集群的信息。如下图：

Redis集群架构通信示意图

所谓gossip协议，指的是一种消息传播的机制，类似人们传递八卦消息似的，一传十，十传百，直至所有人都知道这条八卦内容。Redis集群中各节点之间传递消息就是基于gossip协议，最终达到所有节点都会知道整个集群完整的信息。gossip协议有4种常用的消息类型：PING、PONG、MEET、FAIL。

（1）PING：集群内每个节点每秒会向其他节点发送PING消息，用来检测其他节点是否正常工作，并交换彼此的状态信息。PING消息中会包括自身节点的状态数据和其他部分节点的状态数据。 （2）PONG：当接收到PING消息和MEET消息时，会向发送方回复PONG消息，PONG消息中包括自身节点的状态数据。节点也可以通过广播的方式发送自身的PONG消息来通知整个集群对自身状态的更新。 （3）MEET：Redis CLUSTER MEET 命令被用来连接不同的开启集群支持的 Redis 节点，以进入工作集群。其基本的思想是每个节点默认都是相互不信任的，并且被认为是未知的节点，以便万一因为系统管理错误或地址被修改，而不太可能将多个不同的集群节点混成一个集群。 （4）FAIL：当一个节点判定另一个节点下线时，会向集群内广播一个FAIL消息，其他节点接收到FAIL消息之后，把对应节点更新为下线状态。

集群重定向

Redis客户端可以向Redis集群中的任意master节点发送操作指令，可以向所有节点（包括slave节点）发送查询指令。当Redis节点接收到相关指令时，会先计算key落在哪个哈希槽上（对key进行CRC16校验后再对16384取模），如果key计算出的哈希槽恰好在自己节点上，那么就直接处理指令并返回结果，如果key计算出的哈希槽不在自己节点上，那么当前节点就会查看它内部维护的哈希槽与节点ID之间的映射关系，然后给客户端返回一个MOVED错误：MOVED [哈希槽] [节点IP:端口]。这个错误包含操作的key所属的哈希槽和能处理这个请求的Redis节点的IP和端口号，例如“MOVED 3999 127.0.0.1:6379”，客户端需要根据这个信息重新发送查询指令到给定的IP和端口的Redis节点。

Redis MOVED重定向示意图