【Redis】Redis高可用之Redis Cluster集群模式详解（Redis专栏启动）

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本文目录

本文目录

本文导读

一、什么是集群模式

1、集群模式的必要性和基本概念

2、集群模式拓扑结构 

二、集群中数据如何分区（Hash Solt）

三、Redis集群的原理

四、Master 节点故障处理方式

五、Redis集群的伸缩（扩容与缩容）

1、集群伸缩原理

2、Gossip协议

总结

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本文导读

本文是继，Redis高可用之Cluster主从模式详解、Redis高可用之Sentinel哨兵模式详解 ，的Redis高可用与系列第三篇。

本文主要讲解什么是集群模式，集群模式的必要性、基本概念和拓扑结构，集群中数据Hash Solt分区的原理，节点故障处理方式与集群的伸缩。

一、什么是集群模式

1、集群模式的必要性和基本概念

Sentinel 模式的最大缺点是所有数据都放在一台服务器上，无法横向扩展，为了解决哨兵模式的问题，集群模式应运而生。

主从模式：Redis高可用之Cluster主从模式详解，哨兵模式：Redis高可用之Sentinel哨兵模式详解

如前所述，主从系统有高可用性和分布性问题，哨兵模式只解决了高可用性问题，集群模式可以解决高可用性和分布问题的终极解决方案。 哨兵模式基于主从模式，实现读写分离，它还可以自动切换，系统可用性更高，但是它每个节点存储的数据是一样的，浪费内存，在Redis3.0后开始支持集群模式。

分片集群模式是将一部分数据存储到每个Redis服务器，所有Redis服务器的数据相加形成一个完整的数据（分片集群或者分布式）。它实现了Redis的分布式存储，对数据进行分片，也就是说每台Redis节点上存储不同的内容，来解决在线扩容的问题。所以要形成分片集群，需要路由不同的密钥。一般使用两种通用的路由方案客户端路由（SDK）和服务器路由（Proxy），客户端路由的代表（Redis Cluster），服务器端路由的代表（Codis）。

2、集群模式拓扑结构 

Redis集群由多个Redis节点组成，节点组中是主节点（Master）和从节点（Slave），两者之间的数据是准实时一致的，这是由异步主备复制机制保证的。

如上图所示，一个节点组只有一个主节点，同时可以有0到多个从节点，在这个节点组中，只有主节点为用户提供一些服务，读服务可以由主节点或从节点提供。上图包含三个主节点和对应于主节点的三个从节点。

通常，一组集群至少需要六个节点才能确保完全的高可用性。三个主节点将被分配不同的 slot 插槽（表示数据分区间隔）。当主节点发生故障时，从节点将自动选择出新的主节点继续提供服务。

二、集群中数据如何分区（Hash Solt）

Redis集群模式使用 slots 插槽，一个集群有 16384 个哈希槽将分配给不同的Redis实例。此外，Redis集群模式没有中心节点，每个主节点将保持与其他主节点的连接，节点通过 gossip协议 相互交换信息，同时，每个主节点都具有一个或多个从节点。

当客户端连接到集群时，它直接连接到Redis集群的每个主节点，并根据哈希算法将密钥存储在不同的哈希槽中。例如上图，Redis集群按数据碎片划分的16384个哈希槽，分别存储在三个主节点中：Master1负责哈希槽0~5460、Master2负责哈希槽5461~10922、Master3负责哈希槽10922~16383。

三、Redis集群的原理

Redis集群通过数据分区实现数据的分布式存储（在创建集群时完成），并通过自动故障切换实现高可用性。

Redis集群通常由多个节点组成，设置节点时，节点数至少为6个以确保集群完整且高度可用，每个节点都需要启用和配置 cluster-enabled yes（启动集群），以在集群模式下运行Redis。

节点握手是指以集群模式运行的一组节点通过 Gossip协议 相互通信，以实现对彼此的感知的过程。节点握手是集群之间通信的第一步。客户端启动命令：cluster meet{ip}{port}。节点握手后，Redis节点形成一个多节点集群。

Redis集群将所有数据映射到16384个插槽，每个节点对应几个插槽（必须全部使用），只有当节点分配了时隙时，它才能响应与这些时隙相关联的密钥命令，通过 cluster addslots命令为节点分配插槽。

四、Master 节点故障处理方式

Redis集群中的主节点故障处理模式与哨兵模式类似，但是Redis集群中所有的节点都要承担状态维护的任务。

当一个节点无法成功完成与集群中另一个节点的ping消息通信时，该节点将被标记为主观离线状态，并且信息将被广播到整个集群。

如果节点接收到的节点丢失连接的数量达到集群的大多数，则该节点将被标记为目标脱机状态，并且脱机节点的故障消息将被广播到集群。然后，故障节点将立即从主节点切换到从节点。恢复原始主节点后，它将自动成为新主节点的从节点。如果主节点没有从节点，则集群在发生故障时将不可用。

在投票选举阶段，失败的主节点也计入投票数。假设集群中节点的大小为3个主节点和3个从节点，其中2个主节点部署在一台机器上，当此机器停机时，故障切换将失败，因为从节点无法收集3/2+1个主节点的投票（故障查找链路也会发生）。因此，在部署集群时，所有主节点都需要部署在至少三台物理机器上，以避免单点问题。

五、Redis集群的伸缩（扩容与缩容）

1、集群伸缩原理

扩容与缩容类似，都是先把插槽和数据迁移到其他节点，然后把相应的节点下线。

当新节点添加到集群时，它将与集群中的节点握手，该节点将通过gossip协议将集群中其他节点的信息发送到新节点，新节点将在与这些节点握手后加入集群，然后集群中的节点将加入哈希槽并将其分配给新节点。

2、Gossip协议

Gossip protocol（gossip协议），它的特点是，在节点数量有限的网络中，每个节点都会随机（不是真的随机，而是根据规则选择通信节点）与一些节点通信，在混乱的通信之后，每个节点的状态将在一定时间内达到相同。

Gossip 协议包含多种消息，包括ping（在节点故障发现的时候使用），pong（接收节点回复），meet（在节点握手的时候使用），fail（自动故障转移、下线、故障选举）等等。也有一些缺点，例如数据更新的延迟可能导致集群的某些操作滞后，消息延迟、消息冗余等等。

总结

本文是继，Redis高可用之Cluster主从模式详解、Redis高可用之Sentinel哨兵模式详解 ，的Redis高可用与系列第三篇。

本文主要讲解什么是集群模式，集群模式的必要性、基本概念和拓扑结构，集群中数据Hash Solt分区的原理，节点故障处理方式与集群的伸缩。