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Redis7之集群(十)

发布时间:2024/5/15 数据库 4 豆豆
如意编程网 收集整理的这篇文章主要介绍了 Redis7之集群(十) 小编觉得挺不错的,现在分享给大家,帮大家做个参考.

10.1 介绍

  • 由于数据量过大,单个Master复制集难以承担,因此需要对多个复制集进行集群,形成水平扩展每个复制集只负责存储整个数据集的一部分,这就是Redis的集群,其作用是提供在多个Redis节点间共享数据的程序集。

  • Redis集群是一个提供在多个Redis节点间共享数据的程序集

    • Redis集群可以支持多个Master

  • Redis集群支持多个Master,每个Master又可以挂载多个Slave
    • 读写分离
    • 支持海量数据的高可用
    • 支持海量数据的读写存储操作
  • 由于Cluster自带Sentinel的故障转移机制,内置了高可用的支持,无需再去使用哨兵功能
  • 客户端和Redis的节点连接,不再需要连接集群中所有节点,只需连接集群中的任意一个可用节点即可
  • 槽位slot负责分配到各个物理服务节点,由对应的集群来负责维护节点、插槽和数据之间的关系

10.2 Redis集群分布式存储

Redis集群分布式存储有大概有3种解决方法

  • 哈希取余分区
  • 一致性哈希算法分区
  • 哈希槽分区

哈希取余分区

hash(key) % N个机器台数,计算出哈希值,用来决定数据映射到哪一个节点上。

优点

  • 简单粗暴,直接有效,只需要预估好数据规划节点例如3台、8台、10台,就能保证一段时间的数据支撑。使用Hash算法让固定的一部分请求落到同一台服务器上,这样每台服务器固定处理一部分请求(并维护这些请求的信息),起到负载均衡+分而治之的作用。

缺点

  • 直接规划好节点,进行扩容或者缩容会很麻烦,不管扩还是缩,每次数据变动会导致节点有变动,映射关系都要重新计算,在服务器个数固定不变时没有问题。
  • 如果需要弹性扩容或故障停机的情况下,原来的取模公式就会发生变化,Hash(key)/3会变成Hash(key) /?。此时地址经过取余运算的结果将发生很大变化,根据公式获取的服务器也会变得不可控。
  • 某个redis机器宕机了,由于台数数量变化,会导致hash取余全部数据重新洗牌。

一致性哈希算法分区

提出一致性Hash解决方案。目的是当服务器个数发生变动时,尽量减少影响客户端到服务器的映射关系

三个步骤
  • 算法构建一致性哈希环

    • 一致性哈希算法必然有个hash函数并按照算法产生hash值,这个算法的所有可能哈希值会构成一个全量集,这个集合可以成为一个hash空间[0,2^32-1],这个是一个线性空间,但是在算法中,我们通过适当的逻辑控制将它首尾相连(0 = 2^32),这样让它逻辑上形成了一个环形空间。
    • 它也是按照使用取模的方法,前面笔记介绍的节点取模法是对节点(服务器)的数量进行取模。而一致性Hash算法是对232取模,简单来说,一致性Hash算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环,如假设某哈希函数H的值空间为0-232-1(即哈希值是一个32位无符号整形),整个哈希环如下图:整个空间按顺时针方向组织,圆环的正上方的点代表0,0点右侧的第一个点代表1,以此类推,2、3、4、……直到232-1,也就是说0点左侧的第一个点代表232-1, 0和232-1在零点中方向重合,我们把这个由232个点组成的圆环称为Hash环。
  • 服务器IP节点映射

    • 将集群中各个IP节点映射到环上的某一个位置。

    • 将各个服务器使用Hash进行一个哈希,具体可以选择服务器的IP或主机名作为关键字进行哈希,这样每台机器就能确定其在哈希环上的位置。假如4个节点NodeA、B、C、D,经过IP地址的哈希函数计算(hash(ip)),使用IP地址哈希后在环空间的位置如下:

  • key 落到服务器的落键规则

    • 当我们需要存储一个kv键值对时,首先计算key的hash值,hash(key),将这个key使用相同的函数Hash计算出哈希值并确定此数据在环上的位置,从此位置沿环顺时针“行走”,第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器,并将该键值对存储在该节点上。

    • 如我们有Object A、Object B、Object C、Object D四个数据对象,经过哈希计算后,在环空间上的位置如下:根据一致性Hash算法,数据A会被定为到Node A上,B被定为到Node B上,C被定为到Node C上,D被定为到Node D上。

  • 优点
    • 一致性哈希算法的容错性

      • 假设Node C宕机,可以看到此时对象A、B、D不会受到影响,只有C对象被重定位到Node D。一般的,在一致性Hash算法中,如果一台服务器不可用,则受影响的数据仅仅是此服务器到其环空间中前一台服务器(即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器)之间数据,其它不会受到影响。简单说,就是C挂了,受到影响的只是B、C之间的数据,并且这些数据会转移到D进行存储。

    • 一致性哈希算法的扩展性

      • 数据量增加了,需要增加一台节点NodeX,X的位置在A和B之间,那收到影响的也就是A到X之间的数据,重新把A到X的数据录入到X上即可,
        不会导致hash取余全部数据重新洗牌。

    缺点
    • 一致性哈希算法的数据倾斜问题

      • Hash环的数据倾斜问题
        一致性Hash算法在服务节点太少时,容易因为节点分布不均匀而造成数据倾斜(被缓存的对象大部分集中缓存在某一台服务器上)问题,
        例如系统中只有两台服务器:

    哈希槽分区

    • 哈希槽实质就是一个数组,数组[0,2^14 -1]形成hash slot空间。

    • 解决均匀分配的问题,在数据和节点之间又加入了一层,把这层称为哈希槽(slot),用于管理数据和节点之间的关系,现在就相当于节点上放的是槽,槽里放的是数据。

    • 槽解决的是粒度问题,相当于把粒度变大了,这样便于数据移动。哈希解决的是映射问题,使用key的哈希值来计算所在的槽,便于数据分配

    • 一个集群只能有16384个槽,编号0-16383(0-2^14-1)。这些槽会分配给集群中的所有主节点,分配策略没有要求。

    • 集群会记录节点和槽的对应关系,解决了节点和槽的关系后,接下来就需要对key求哈希值,然后对16384取模,余数是几key就落入对应的槽里。HASH_SLOT = CRC16(key) mod 16384。以槽为单位移动数据,因为槽的数目是固定的,处理起来比较容易,这样数据移动问题就解决了。

    • 当需要在 Redis 集群中放置一个 key-value时,redis先对key使用crc16算法算出一个结果然后用结果对16384求余数[ CRC16(key) % 16384],这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽,也就是映射到某个节点上。如下代码,key之A 、B在Node2, key之C落在Node3上

    分片是什么使用Redis集群时我们会将存储的数据分散到多台redis机器上,这称为分片。简言之,集群中的每个Redis实例都被认为是整个数据的一个分片。
    如何找到给定key的分片为了找到给定key的分片,我们对key进行CRC16(key)算法处理并通过对总分片数量取模。然后,使用确定性哈希函数,这意味着给定的key将多次始终映射到同一个分片,我们可以推断将来读取特定key的位置。

    优势:

    缺点

    Redis集群不保证 强一致性,这意味着在特定的条件下,Redis集群可能会丢掉一些被系统收到的写入请求命令

    10.3 为什么redis集群的最大槽数是16384

    • Redis集群并没有使用一致性hash而是引入了哈希槽的概念。Redis 集群有16384个哈希槽,每个key通过CRC16校验后对16384取模来决定放置哪个槽,集群的每个节点负责一部分hash槽。

      • 正常的心跳数据包带有节点的完整配置,可以用幂等方式用旧的节点替换旧节点,以便更新旧的配置。这意味着它们包含原始节点的插槽配置,该节点使用2k的空间和16k的插槽,但是会使用8k的空间(使用65k的插槽)。同时,由于其他设计折衷,Redis集群不太可能扩展到1000个以上的主节点。因此16k处于正确的范围内,以确保每个主机具有足够的插槽,最多可容纳1000个矩阵,但数量足够少,可以轻松地将插槽配置作为原始位图传播。请注意,在小型群集中,位图将难以压缩,因为当N较小时,位图将设置的slot / N位占设置位的很大百分比。

    **(1)如果槽位为65536,发送心跳信息的消息头达8k,发送的心跳包过于庞大。**在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为65536时,这块的大小是: 65536÷8÷1024=8kb

    在消息头中最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。 当槽位为16384时,这块的大小是: 16384÷8÷1024=2kb

    因为每秒钟,redis节点需要发送一定数量的ping消息作为心跳包,如果槽位为65536,这个ping消息的消息头太大了,浪费带宽。

    (2)redis的集群主节点数量基本不可能超过1000个。

    集群节点越多,心跳包的消息体内携带的数据越多。如果节点过1000个,也会导致网络拥堵。因此redis作者不建议redis cluster节点数量超过1000个。 那么,对于节点数在1000以内的redis cluster集群,16384个槽位够用了。没有必要拓展到65536个。

    (3)槽位越小,节点少的情况下,压缩比高,容易传输

    Redis主节点的配置信息中它所负责的哈希槽是通过一张bitmap的形式来保存的,在传输过程中会对bitmap进行压缩,但是如果bitmap的填充率slots / N很高的话(N表示节点数),bitmap的压缩率就很低。 如果节点数很少,而哈希槽数量很多的话,bitmap的压缩率就很低。

    10.4 集群配置(三主三从)

    1.准备三台虚拟机,各自新建文件目放配置文件

    mkdir -p /myredis/cluster

    2.新建6个独立的redis实例服务 (一台虚拟机两个)因为多个太过于占内存了,也可以用6个服务器

    • 第一台虚拟机IP: 192.168.238.111 + 端口 6381 / 6382

      • 端口6381 (记着将密码改成自己平常用的)

        vim /myredis/cluster/redisCluster6381.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6381 logfile "/myredis/cluster/cluster6381.log" pidfile /myredis/cluster6381.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6381.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6381.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6381.conf cluster-node-timeout 5000
      • 端口 6382

        vim /myredis/cluster/redisCluster6382.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6382 logfile "/myredis/cluster/cluster6382.log" pidfile /myredis/cluster6382.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6382.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6382.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6382.conf cluster-node-timeout 5000
    • 第二台虚拟机IP: 192.168.238.112 + 端口 6383 / 6384

      • 端口 6383

        vim /myredis/cluster/redisCluster6383.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6383 logfile "/myredis/cluster/cluster6383.log" pidfile /myredis/cluster6383.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6383.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6383.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6383.conf cluster-node-timeout 5000
      • 端口 6384

        vim /myredis/cluster/redisCluster6384.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6384 logfile "/myredis/cluster/cluster6384.log" pidfile /myredis/cluster6384.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6384.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6384.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6384.conf cluster-node-timeout 5000
    • 第三台虚拟机IP: 192.168.238.113 + 端口 6385 / 6386

      • 端口 6385

        vim /myredis/cluster/redisCluster6385.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6385 logfile "/myredis/cluster/cluster6385.log" pidfile /myredis/cluster6385.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6385.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6385.aof" requirepass 111111 masterauth 111111cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6385.conf cluster-node-timeout 5000
      • 端口 6386

        vim /myredis/cluster/redisCluster6386.conf bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6386 logfile "/myredis/cluster/cluster6386.log" pidfile /myredis/cluster6386.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6386.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6386.aof" requirepass 111111 masterauth 111111cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6386.conf cluster-node-timeout 5000

    3.启动6台redis实例

    redis-server /myredis/cluster/redisCluter6381.conf .......... redis-server /myredis/cluster/redisCluter6386.conf

    4.通过redis-cli命令为6台机器构建集群关系

    • 构建主从关系 注意用自己的IP

      redis-cli -a 123456 --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.238.111:6381 192.168.238.111:6382 192.168.238.112:6383 192.168.238.112:6384 192.168.238.113:6385 192.168.238.113:6386
      • -cluster-replicas 1 表示为每个master创建一个slave节点

    5.任意连接一个作为切入点(集群只需要连一个),并检验集群状态

    • 这里连6381端口

      redis-cli -a 123456 -p 6381 -c // -c表示集群 不加的话不是按照集群启动的,对于在别的机器上的key,会报错
      • 加 -c 启动

      • 不加 -c 启动 ,在存值时,会报错

    • 查看节点状态

      • cluster nodes // 查看集群的主从关系

      • cluster info // 查看集群信息

        • info replication // 查看主从

    6.测试一下集群

    • 新增两个key,看看集群是否成功

    • 查看这个key的槽位值

      cluster keyslot k2

    7.主从容错切换迁移

    在我这里我的6381是slave,他的master是6384(在 cluster nodes 中 看他们的id)

    • 把6384停了,6381会成为master

    • 启动6384,6381还是master,并不会让位


    • Redis集群不保证强一致性,意味着在特定的条件下,Redis集群可能会丢掉一些被系统收到的写入请求命令

      • 因为本质还是发送心跳包,需要一些时间判断是否down机,如果down机,对应的slave直接成为master
    • 如果想要原先的master继续做master的话

      • CLUSTER FAILOVER // 让谁上位 就在谁的端口号下执行这个命令

    8.主从扩容

    • 新建6387、6388 两个服务实例配置文件+启动 (又加了个虚拟机 或者 直接在三个虚拟机里选一个)

      • 6387端口

      • bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6387 logfile "/myredis/cluster/cluster6387.log" pidfile /myredis/cluster6387.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6387.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6387.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6387.conf cluster-node-timeout 5000
      • 6388 端口

      • bind 0.0.0.0 daemonize yes protected-mode no port 6388 logfile "/myredis/cluster/cluster6388.log" pidfile /myredis/cluster6388.pid dir /myredis/cluster dbfilename dump6388.rdb appendonly yes appendfilename "appendonly6388.aof" requirepass 123456 masterauth 123456cluster-enabled yes cluster-config-file nodes-6388.conf cluster-node-timeout 5000
    • 启动,此时这两个实例都是master

      • redis-server /myredis/cluster/redisCluster6388.conf redis-server /myredis/cluster/redisCluster6387.conf
    • 将新增的6387节点作为master加入原集群

      • redis-cli -a 123456 --cluster add-node 192.168.230.114:6387 192.168.238.111:6381

    • 检查集群情况,6381

      • redis-cli -a 123456 --cluster check 192.168.238.111:6381

    • 分配槽号,上图没有分配槽

      • redis-cli -a 123456 --cluster reshard 192.168.238.111:6381

        重新分配成本太高,所以前3家各自匀出来一部分,从6381/6383/6385三个旧节点分别匀出1364个坑位,注意本机这里经过调整所以我是需要从6381中分出4096即可

      • 做的时候如果slots都一样的话,直接用all,所有节点均匀分配给新节点

    • 再次检查集群情况

      • redis-cli -a 123456 --cluster check 192.168.238.111:6381

    • 为主节点6387分配从节点6388 –cluster-master-id 后跟的是6387的id

      • redis-cli -a 123456 --cluster add-node 192.168.238.114:6388 192.168.238.114:6387 --cluster-slave --cluster-master-id b861764cbba16a1b21536a3182349748e56f24cc

    • 查看集群信息

    9.主从缩容

    让6388和6387下线

    • 先获得6388的节点id(上图可获取),在集群中将6388删除

      • redis-cli -a 123456 --cluster del-node 192.168.238.114:6388 411144d66f28e876de5a6433689c8cbfab10686f

    • 检查节点,只剩7台

    • 将6387的槽号情况,重新分配,先全部都给6381

      • redis-cli -a 123456 --cluster reshard 192.168.238.111:6381

    • 查看集群情况

    成功!

    10.5 补充

    总结

    以上是如意编程网为你收集整理的Redis7之集群(十)的全部内容,希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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