本文是Redis集群学习的实践总结(基于Redis 6.0+),详细介绍逐步搭建Redis集群环境的过程,并完成集群伸缩的实践。

Redis集群简介

Redis集群(Redis Cluster) 是Redis提供的分布式数据库方案,通过 分片(sharding) 来进行数据共享,并提供复制和故障转移功能。相比于主从复制、哨兵模式,Redis集群实现了较为完善的高可用方案,解决了存储能力受到单机限制,写操作无法负载均衡的问题。

本文是Redis集群学习的实践总结,详细介绍逐步搭建Redis集群环境的过程,并完成集群伸缩的实践。

1 Redis集群环境搭建

方便起见,这里集群环境的所有节点全部位于同一个服务器上,共6个节点以端口号区分,3个主节点+3个从节点。集群的简单架构如图:

本文基于最新的Redis 6.0+,直接从github下载最新的源码编译获得常用工具 redis-server ,  redis-cli 。值得注意的是,从Redis 5.0以后的版本,集群管理软件 redis-trib.rb 被集成到 redis-cli 客户端工具中(详细可参考cluster-tutorial)。

本节介绍集群环境搭建时,并未借助 redis-trib.rb 快速管理,而是按照标准步骤一步步搭建,这也是为了熟悉集群管理的基本步骤。在集群伸缩实践一节将借助 redis-trib.rb 完成集群重新分片工作。

集群的搭建可以分为四步:

  1. 启动节点:将节点以集群方式启动,此时节点是独立的。
  2. 节点握手:将独立的节点连成网络。
  3. 槽指派:将16384个槽位分配给主节点,以达到分片保存数据库键值对的效果。
  4. 主从复制:为从节点指定主节点。

1.1 启动节点

每个节点初始状态仍为 Master服务器,唯一不同的是:使用 Cluster 模式启动。需要对配置文件进行修改,以端口号为6379的节点为例,主要修改如下几项:

# redis_6379_cluster.conf
port 6379
cluster-enabled yes
cluster-config-file "node-6379.conf"
logfile "redis-server-6379.log"
dbfilename "dump-6379.rdb"
daemonize yes

其中 cluster-config-file 参数指定了集群配置文件的位置,每个节点在运行过程中,会维护一份集群配置文件;每当集群信息发生变化时(如增减节点),集群内所有节点会将最新信息更新到该配置文件;当节点重启后,会重新读取该配置文件,获取集群信息,可以方便的重新加入到集群中。也就是说,当Redis节点以集群模式启动时,会首先寻找是否有集群配置文件,如果有则使用文件中的配置启动,如果没有,则初始化配置并将配置保存到文件中。集群配置文件由Redis节点维护,不需要人工修改。

为6个节点修改好相应的配置文件后,即可利用 redis-server redis_xxxx_cluster.conf 工具启动6个服务器(xxxx表示端口号,对应相应的配置文件)。利用ps命令查看进程:

$ ps -aux | grep redis
... 800  0.1  0.0  49584  2444 ?        Ssl  20:42   0:00 redis-server 127.0.0.1:6379 [cluster]
... 805  0.1  0.0  49584  2440 ?        Ssl  20:42   0:00 redis-server 127.0.0.1:6380 [cluster]
... 812  0.3  0.0  49584  2436 ?        Ssl  20:42   0:00 redis-server 127.0.0.1:6381 [cluster]
... 817  0.1  0.0  49584  2432 ?        Ssl  20:43   0:00 redis-server 127.0.0.1:6479 [cluster]
... 822  0.0  0.0  49584  2380 ?        Ssl  20:43   0:00 redis-server 127.0.0.1:6480 [cluster]
... 827  0.5  0.0  49584  2380 ?        Ssl  20:43   0:00 redis-server 127.0.0.1:6481 [cluster]

1.2 节点握手

1.1中将每个节点启动后,节点间是相互独立的,他们都处于一个只包含自己的集群当中,以端口号6379的服务器为例,利用 CLUSTER NODES 查看当前集群包含的节点。

127.0.0.1:6379> CLUSTER NODES
37784b3605ad216fa93e976979c43def42bf763d :6379@16379 myself,master - 0 0 0 connected 449 4576 5798 7568 8455 12706

我们需要将各个独立的节点连接起来,构成一个包含多个节点的集群,使用 CLUSTER MEET 命令。

$ redis-cli -p 6379 -c          # -c 选项指定以Cluster模式运行redis-cli 127.0.0.1:6379> CLUSTER MEET 127.0.0.1 6380 OK 127.0.0.1:6379> CLUSTER MEET 127.0.0.1 6381 OK 127.0.0.1:6379> CLUSTER MEET 127.0.0.1 6480 OK 127.0.0.1:6379> CLUSTER MEET 127.0.0.1 6381 OK 127.0.0.1:6379> CLUSTER MEET 127.0.0.1 6382 OK

再次查看此时集群中包含的节点情况:

127.0.0.1:6379> CLUSTER NODES
c47598b25205cc88abe2e5094d5bfd9ea202335f 127.0.0.1:6380@16380 master - 0 1603632309283 4 connected
87b7dfacde34b3cf57d5f46ab44fd6fffb2e4f52 127.0.0.1:6379@16379 myself,master - 0 1603632308000 1 connected
51081a64ddb3ccf5432c435a8cf20d45ab795dd8 127.0.0.1:6381@16381 master - 0 1603632310292 2 connected
9d587b75bdaed26ca582036ed706df8b2282b0aa 127.0.0.1:6481@16481 master - 0 1603632309000 5 connected
4c23b25bd4bcef7f4b77d8287e330ae72e738883 127.0.0.1:6479@16479 master - 0 1603632308000 3 connected
32ed645a9c9d13ca68dba5a147937fb1d05922ee 127.0.0.1:6480@16480 master - 0 1603632311302 0 connected

可以发现此时6个节点均作为主节点加入到集群中, CLUSTER NODES 返回的结果各项含义如下:

<id> <ip:port@cport> <flags> <master> <ping-sent> <pong-recv> <config-epoch> <link-state> <slot> <slot> ... <slot>
  • 节点id: 由40个16进制字符串组成,节点id只在集群初始化时创建一次,然后保存到集群配置文件(即前文提到的cluster-config-file)中,以后节点重新启动时会直接在集群配置文件中读取。
  • port@cport: 前者为普通端口,用于为客户端提供服务;后者为集群端口,分配方法为:普通端口+10000,只用于节点间的通讯。

其余各项的详细解释可以参考官方文档cluster nodes。

1.3 槽指派

Redis集群通过分片(sharding)的方式保存数据库的键值对,整个数据库被分为16384个槽(slot),数据库每个键都属于这16384个槽的一个,集群中的每个节点都可以处理0个或者最多16384个slot。

槽是数据管理和迁移的基本单位。当数据库中的16384个槽都分配了节点时,集群处于上线状态(ok);如果有任意一个槽没有分配节点,则集群处于下线状态(fail)。

注意,只有主节点有处理槽的能力,如果将槽指派步骤放在主从复制之后,并且将槽位分配给从节点,那么集群将无法正常工作(处于下线状态)。

利用 CLUSTER ADDSLOTS

redis-cli  -p 6379 cluster addslots {0..5000}
redis-cli  -p 6380 cluster addslots {5001..10000}
redis-cli  -p 6381 cluster addslots {10001..16383}

槽指派后集群中节点情况如下:

127.0.0.1:6379> CLUSTER NODES
c47598b25205cc88abe2e5094d5bfd9ea202335f 127.0.0.1:6380@16380 master - 0 1603632880310 4 connected 5001-10000 87b7dfacde34b3cf57d5f46ab44fd6fffb2e4f52 127.0.0.1:6379@16379 myself,master - 0 1603632879000 1 connected 0-5000 51081a64ddb3ccf5432c435a8cf20d45ab795dd8 127.0.0.1:6381@16381 master - 0 1603632879000 2 connected 10001-16383 9d587b75bdaed26ca582036ed706df8b2282b0aa 127.0.0.1:6481@16481 master - 0 1603632878000 5 connected
4c23b25bd4bcef7f4b77d8287e330ae72e738883 127.0.0.1:6479@16479 master - 0 1603632880000 3 connected
32ed645a9c9d13ca68dba5a147937fb1d05922ee 127.0.0.1:6480@16480 master - 0 1603632881317 0 connected
127.0.0.1:6379> CLUSTER INFO
cluster_state:ok                        # 集群处于上线状态
cluster_slots_assigned:16384 cluster_slots_ok:16384 cluster_slots_pfail:0 cluster_slots_fail:0 cluster_known_nodes:6 cluster_size:3 cluster_current_epoch:5 cluster_my_epoch:1 cluster_stats_messages_ping_sent:4763 cluster_stats_messages_pong_sent:4939 cluster_stats_messages_meet_sent:5 cluster_stats_messages_sent:9707 cluster_stats_messages_ping_received:4939 cluster_stats_messages_pong_received:4768 cluster_stats_messages_received:9707

1.4 主从复制

上述步骤后,集群节点均作为主节点存在,仍不能实现Redis的高可用,配置主从复制之后,才算真正实现了集群的高可用功能。

CLUSTER REPLICATE <node_id> 用来让集群中接收命令的节点成为 node_id 所指定节点的从节点,并开始对主节点进行复制。

redis-cli  -p 6479 cluster replicate 87b7dfacde34b3cf57d5f46ab44fd6fffb2e4f52
redis-cli  -p 6480 cluster replicate c47598b25205cc88abe2e5094d5bfd9ea202335f
redis-cli  -p 6481 cluster replicate 51081a64ddb3ccf5432c435a8cf20d45ab795dd8
127.0.0.1:6379> CLUSTER NODES
c47598b25205cc88abe2e5094d5bfd9ea202335f 127.0.0.1:6380@16380 master - 0 1603633105211 4 connected 5001-10000 87b7dfacde34b3cf57d5f46ab44fd6fffb2e4f52 127.0.0.1:6379@16379 myself,master - 0 1603633105000 1 connected 0-5000 51081a64ddb3ccf5432c435a8cf20d45ab795dd8 127.0.0.1:6381@16381 master - 0 1603633105000 2 connected 10001-16383 9d587b75bdaed26ca582036ed706df8b2282b0aa 127.0.0.1:6481@16481 slave 51081a64ddb3ccf5432c435a8cf20d45ab795dd8 0 1603633107229 5 connected
4c23b25bd4bcef7f4b77d8287e330ae72e738883 127.0.0.1:6479@16479 slave 87b7dfacde34b3cf57d5f46ab44fd6fffb2e4f52 0 1603633106221 3 connected
32ed645a9c9d13ca68dba5a147937fb1d05922ee 127.0.0.1:6480@16480 slave c47598b25205cc88abe2e5094d5bfd9ea2023350 1603633104000 4 connected

顺带补充,上述步骤1.2,1.3,1.4可以利用 redis-trib.rb 工具整体实现,在Redis 5.0之后直接利用 redis-cli 完成,参考命令如下:

redis-cli --cluster create  127.0.0.1:6379 127.0.0.1:6479  127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6480  127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6481  --cluster-replicas 1

--cluster-replicas 1 指示给定的创建节点列表是以主节点+从节点对组成的。

1.5 在集群中执行命令

集群此时处于上线状态,可以通过客户端向集群中的节点发送命令。接收命令的节点会计算出命令要处理的键属于哪个槽,并检查这个槽是否指派给自己。

  • 如果键所在的slot刚好指派给了当前节点,会直接执行这个命令。
  • 否则,节点向客户端返回 MOVED 错误,指引客户端转向 redirect 至正确的节点,并再次发送此前的命令。

此处,我们利用 CLUSTER KEYSLOT 查看到键 name 所在槽号为5798(被分配在6380节点),当对此键操作时,会被重定向到相应的节点。对键 fruits 的操作与此类似。

127.0.0.1:6379> CLUSTER KEYSLOT name
(integer) 5798
127.0.0.1:6379> set name huey -> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:6380 OK 127.0.0.1:6380>
127.0.0.1:6379> get fruits -> Redirected to slot [14943] located at 127.0.0.1:6381
"apple"
127.0.0.1:6381>

值得注意的是,当我们将命令通过客户端发送给一个从节点时,命令会被重定向至对应的主节点。

127.0.0.1:6480> KEYS *
1"name"
127.0.0.1:6480> get name -> Redirected to slot [5798] located at 127.0.0.1:6380
"huey"

3 总结

Redis集群环境的搭建主要包括启动节点、节点握手、槽指派和主从复制等四个步骤,集群伸缩同样涉及这几个方面。借助 redis-cli --cluster 命令来管理集群环境,不仅能增加简便性,还能降低操作失误的风险