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Cloud-book/数据库/Redis_2025/08_Redis集群架构.md
aaronxu 86df397d8f 08-27-周三_17-09-29
2025-08-27 17:10:05 +08:00

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Redis 集群架构

Redis 集群（Redis Cluster）是 Redis 官方提供的分布式解决方案，通过数据分片和自动故障转移实现水平扩展和高可用性。它是构建大规模 Redis 应用的核心技术。

Redis 集群概述

集群模式的概念

Redis 集群是一个分布式、去中心化的 Redis 实现，具有以下特点：

核心特性：

  • 数据分片（Sharding）：自动将数据分布到多个节点
  • 高可用性（High Availability）：支持主从复制和自动故障转移
  • 水平扩展（Horizontal Scaling）：支持动态添加和删除节点
  • 去中心化（Decentralized）：没有单点故障，所有节点地位平等

架构组件：

  • 主节点（Master）：处理读写请求，负责数据分片
  • 从节点（Slave）：复制主节点数据，提供读服务和故障转移
  • 哈希槽（Hash Slot）：数据分片的基本单位，共16384个槽
  • 集群总线（Cluster Bus）：节点间通信的专用通道

集群模式的优势

性能优势：

  • 数据分片提高并发处理能力
  • 多节点并行处理请求
  • 减少单节点内存压力
  • 支持大数据量存储

可用性优势：

  • 自动故障检测和转移
  • 主从复制保证数据安全
  • 部分节点故障不影响整体服务
  • 支持在线扩容和缩容

扩展性优势：

  • 线性扩展存储容量
  • 动态调整集群规模
  • 支持跨数据中心部署
  • 灵活的数据迁移机制

管理优势：

  • 自动数据分布和负载均衡
  • 简化的集群管理工具
  • 丰富的监控和诊断功能
  • 标准化的客户端支持

集群模式的应用场景

典型应用场景：

  1. 大规模缓存系统 应用层 → 负载均衡 → Redis集群 支持TB级别的缓存数据

  2. 分布式会话存储 Web应用 → 会话管理 → Redis集群 支持大量并发用户会话

  3. 实时数据分析 数据采集 → 实时计算 → Redis集群 支持高频数据写入和查询

  4. 消息队列系统 生产者 → Redis集群 → 消费者 支持大规模消息处理

  5. 游戏排行榜 游戏服务器 → Redis集群 → 排行榜系统 支持全球用户排行榜

  6. 电商购物车 电商平台 → Redis集群 → 购物车服务 支持海量用户购物车数据

Redis 集群原理

数据分片机制

哈希槽（Hash Slot）

Redis 集群使用哈希槽来实现数据分片：

哈希槽机制：

  1. 槽位总数：16384 个（0-16383）
  2. 槽位分配：平均分配给各个主节点
  3. 数据映射：key → CRC16(key) % 16384 → 槽位 → 节点
  4. 槽位迁移：支持在线重新分配槽位

示例分配（3个主节点）： 节点A：槽位 0-5460 （5461个槽） 节点B：槽位 5461-10922 （5462个槽） 节点C：槽位 10923-16383（5461个槽）

数据路由

# 数据路由过程

# 1. 客户端计算槽位
key = "user:1001"
slot = CRC16(key) % 16384
# 假设 slot = 8000

# 2. 查找负责的节点
# 槽位 8000 属于节点B（5461-10922）

# 3. 重定向机制
# 如果客户端连接到错误的节点：
redis-cli -c -p 7001 GET user:1001
# 节点A响应：(error) MOVED 8000 192.168.1.102:7002
# 客户端自动重定向到节点B

# 4. ASK重定向（槽位迁移中）
# 如果槽位正在迁移：
# 源节点响应：(error) ASK 8000 192.168.1.103:7003
# 客户端发送 ASKING 命令后重试

集群通信机制

集群总线（Cluster Bus）

集群总线特性：

  1. 端口：Redis端口 + 10000 Redis端口：7001 → 集群总线端口：17001

  2. 协议：二进制协议，效率更高

  3. 通信内容：

    • 节点状态信息
    • 槽位分配信息
    • 故障检测信息
    • 配置更新信息

  4. 通信频率：

    • 心跳：每秒1次
    • Gossip：随机选择节点交换信息
    • 故障检测：实时

Gossip 协议

Gossip 协议（流言协议）是一种分布式系统中的信息传播协议，类似于现实生活中流言的传播方式。在Redis集群中，Gossip协议用于维护集群状态的一致性。

Gossip 协议原理：

  1. 去中心化设计

    • 没有中央协调节点
    • 每个节点都是平等的
    • 信息通过节点间的随机通信传播

  2. 最终一致性

    • 不保证强一致性
    • 通过多轮传播达到最终一致
    • 容忍网络分区和节点故障

  3. 概率性传播

    • 随机选择通信节点
    • 降低网络负载
    • 提高系统可扩展性

Gossip 协议特点：

  1. 高可用性

    • 单点故障不影响整体运行
    • 网络分区时仍能部分工作
    • 自动故障恢复能力

  2. 可扩展性

    • 通信复杂度为 O(log N)
    • 支持大规模集群
    • 动态添加/删除节点

  3. 容错性

    • 容忍节点故障
    • 容忍消息丢失
    • 容忍网络延迟

Redis 中的 Gossip 实现：

Gossip 协议工作流程：

  1. 节点选择：每次随机选择几个节点进行通信
  2. 信息交换：发送自己已知的集群状态信息
  3. 信息合并：接收并更新集群状态信息
  4. 信息传播：将新信息传播给其他节点

消息类型：

  • PING：心跳消息，包含发送者状态和已知的其他节点信息
  • PONG：心跳响应，包含接收者状态和集群视图
  • MEET：新节点加入集群时的握手消息
  • FAIL：节点故障通知，标记节点为失效状态
  • PUBLISH：发布/订阅消息在集群间的传播

Gossip 消息结构：

Gossip 消息头：

  • 消息类型 (PING/PONG/MEET/FAIL)
  • 发送者节点ID
  • 消息序列号
  • 集群配置版本

Gossip 消息体：

  • 节点状态信息
  • 槽位分配信息
  • 其他节点的状态摘要
  • 故障检测信息

传播机制：

  1. 主动传播

    • 每个节点定期发送PING消息
    • 频率：每秒选择随机节点发送
    • 目标：维持集群连通性

  2. 被动传播

    • 接收到消息后回复PONG
    • 携带本地集群状态信息
    • 实现双向信息交换

  3. 故障传播

    • 检测到节点故障时发送FAIL消息
    • 快速传播故障信息
    • 触发故障转移流程

Gossip 协议优势：

  1. 网络效率

    • 避免广播风暴
    • 减少网络带宽消耗
    • 适合大规模集群

  2. 故障隔离

    • 局部故障不影响全局
    • 自动绕过故障节点
    • 提高系统稳定性

  3. 动态适应

    • 自动发现新节点
    • 自动移除故障节点
    • 支持集群拓扑变化

故障检测和转移

故障检测机制

# 故障检测配置
# redis.conf

# 集群节点超时时间（毫秒）
cluster-node-timeout 15000

# 故障转移投票有效时间
cluster-slave-validity-factor 10

# 从节点迁移屏障
cluster-migration-barrier 1

# 集群要求槽位完整覆盖
cluster-require-full-coverage yes

故障检测流程：

  1. 主观下线（PFAIL）

    • 节点在超时时间内无响应
    • 标记为主观下线状态
    • 开始收集其他节点意见

  2. 客观下线（FAIL）

    • 超过半数主节点认为故障
    • 标记为客观下线状态
    • 触发故障转移流程

  3. 故障转移

    • 从节点发起选举
    • 获得多数票的从节点成为新主节点
    • 更新槽位分配信息

故障转移过程

故障转移详细流程：

  1. 故障检测

    • 主节点A无响应超过cluster-node-timeout
    • 其他节点标记A为PFAIL
    • 收集到足够PFAIL报告后标记为FAIL

  2. 从节点选举

    • A的从节点们开始选举
    • 计算选举延迟：rank * 1000 + random(0,1000)
    • 延迟最小的从节点首先发起选举

  3. 投票过程

    • 候选从节点向所有主节点请求投票
    • 主节点在一个配置纪元内只能投一票
    • 获得多数票（N/2+1）的从节点胜出

  4. 角色切换

    • 胜出的从节点执行CLUSTER FAILOVER
    • 接管原主节点的槽位
    • 更新集群配置并广播

  5. 配置传播

    • 新主节点广播配置更新
    • 其他节点更新路由表
    • 客户端更新连接信息

Redis 集群配置

基本配置

节点配置文件

# Redis 集群节点配置模板

# 基本配置
port 7001
bind 127.0.0.1
dir ./
logfile "redis-7001.log"
pidfile "redis-7001.pid"
daemonize yes

# 集群配置
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes-7001.conf
cluster-node-timeout 15000
cluster-slave-validity-factor 10
cluster-migration-barrier 1
cluster-require-full-coverage yes

# 持久化配置
save 900 1
save 300 10
save 60 10000
appendonly yes
appendfilename "appendonly-7001.aof"
appendfsync everysec

# 内存配置
maxmemory 256mb
maxmemory-policy allkeys-lru

# 网络配置
tcp-keepalive 300
timeout 0

# 性能优化
tcp-backlog 511
databases 1  # 集群模式只支持数据库0

多节点配置生成

  1. 复制节点配置模板
  2. 修改端口号和配置文件名
  3. 生成节点配置文件

集群创建

使用 redis-cli 创建集群

  1. 启动所有节点
  2. 连接其中一个节点（如 7001）
  3. 执行集群创建命令
redis-cli --cluster create 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 127.0.0.1:7006 --cluster-replicas 1

高级配置

集群安全配置

# 安全配置
requirepass "$(openssl rand -base64 32)"
masterauth "$(openssl rand -base64 32)"

# 重命名危险命令
rename-command FLUSHDB ""
rename-command FLUSHALL ""
rename-command CONFIG "CONFIG_$(openssl rand -hex 8)"
rename-command EVAL "EVAL_$(openssl rand -hex 8)"

# 连接限制
maxclients 10000
tcp-backlog 511

# 客户端输出缓冲区限制
client-output-buffer-limit normal 0 0 0
client-output-buffer-limit slave 256mb 64mb 60
client-output-buffer-limit pubsub 32mb 8mb 60

性能优化配置

# 内存优化
maxmemory 8gb
maxmemory-policy allkeys-lru
maxmemory-samples 10

# 持久化优化
# 禁用 RDB 以提高性能
save ""
stop-writes-on-bgsave-error no

# AOF 优化
appendonly yes
appendfilename "appendonly-7001.aof"
appendfsync no  # 由操作系统决定何时同步
no-appendfsync-on-rewrite yes
auto-aof-rewrite-percentage 100
auto-aof-rewrite-min-size 1gb

# 网络优化
tcp-keepalive 60
tcp-backlog 2048
timeout 0

# 连接优化
maxclients 50000

# 客户端输出缓冲区优化
client-output-buffer-limit normal 0 0 0
client-output-buffer-limit slave 1gb 256mb 60
client-output-buffer-limit pubsub 128mb 32mb 60

# 性能调优
databases 1
lua-time-limit 5000
slowlog-log-slower-than 1000
slowlog-max-len 1000

# 哈希表优化
hash-max-ziplist-entries 512
hash-max-ziplist-value 64
list-max-ziplist-size -2
list-compress-depth 0
set-max-intset-entries 512
zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64

# HyperLogLog 优化
hll-sparse-max-bytes 3000

# 流优化
stream-node-max-bytes 4096
stream-node-max-entries 100

Redis 集群管理

集群操作命令

基本管理命令

# 集群管理命令大全
# 基本连接
redis-cli -c -h 127.0.0.1 -p 7001

# 查看集群基本信息
127.0.0.1:7001> CLUSTER INFO
# 查看集群节点信息
127.0.0.1:7001> CLUSTER NODES
# 查看槽位分配
127.0.0.1:7001> CLUSTER SLOTS

# 槽位管理
# 查看键所在的槽位
127.0.0.1:7001> CLUSTER KEYSLOT key_name    
# 查看槽位中的键数量
127.0.0.1:7001> CLUSTER COUNTKEYSINSLOT 1000
# 获取槽位中的键，最多返回10个
127.0.0.1:7001> CLUSTER GETKEYSINSLOT 1000 10
# 删除槽位分配
127.0.0.1:7001> CLUSTER DELSLOTS 7000 7001 7002
# 手动分配槽位
127.0.0.1:7001> CLUSTER ADDSLOTS 7000 7001 7002

# 节点管理
# 添加节点
127.0.0.1:7001> CLUSTER MEET 127.0.0.1 7007
# 忘记节点
127.0.0.1:7001> CLUSTER FORGET node_id
# 设置从节点
127.0.0.1:7001> CLUSTER REPLICATE 127.0.0.1 7007
# 故障转移
127.0.0.1:7001> CLUSTER FAILOVER
127.0.0.1:7001> CLUSTER FAILOVER FORCE
127.0.0.1:7001> CLUSTER FAILOVER TAKEOVER

# 槽位迁移
# 设置槽位为迁移状态
127.0.0.1:7001> CLUSTER SETSLOT 1000 MIGRATING target_node_id
127.0.0.1:7001> CLUSTER SETSLOT 1000 IMPORTING source_node_id
# 迁移键
127.0.0.1:7001> MIGRATE 127.0.0.1 7002 key_name 0 5000
# 完成槽位迁移
127.0.0.1:7001> CLUSTER SETSLOT 1000 NODE target_node_id
# 检查槽位迁移状态
127.0.0.1:7001> CLUSTER SLOTS
# 检查键是否迁移完成
127.0.0.1:7001> EXISTS key_name

# 调试命令
# 保存集群配置
127.0.0.1:7001> CLUSTER SAVECONFIG
# 设置配置纪元
127.0.0.1:7001> CLUSTER SET-CONFIG-EPOCH 1
# 获取节点ID
127.0.0.1:7001> CLUSTER MYID

集群扩容和缩容

添加节点流程

  1. 复制节点配置模板
  2. 修改端口号和配置文件名
  3. 生成节点配置文件
  4. 启动新节点
  5. 连接其中一个节点（如 7001）
  6. 执行集群添加节点命令
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:7007 127.0.0.1:7001
  1. 重新分配槽位
# NEW_MASTER_ID
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7007 CLUSTER MYID
# SLOTS_TO_MIGRATE
16384 / 4 = 4096

redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:7001 \
    --cluster-from all \
    --cluster-to  <NEW_MASTER_ID> \
    --cluster-slots  <SLOTS_TO_MIGRATE> \
    --cluster-yes
  1. 添加新从节点
redis-cli --cluster add-node 127.0.0.1:7008 127.0.0.1:7001 --cluster-slave --cluster-master-id <NEW_MASTER_ID>
  1. 验证扩容结果
  2. 测试新节点 & 验证数据读写

删除节点流程

  1. 确认要删除的主节点
  2. 迁移该主节点上的所有槽位：注意整个集群槽位分配是否平均
# REMOVE_MASTER_ID：删除节点
# TARGET_ID：选择一个节点作为目标节点
# RANGE_COUNT：槽位迁移数量
redis-cli --cluster reshard 127.0.0.1:7001 \
    --cluster-from <REMOVE_MASTER_ID> \
    --cluster-to <TARGET_ID> \
    --cluster-slots <RANGE_COUNT> \
    --cluster-yes > /dev/null 2>&1
  1. 删除从节点 & 主节点
redis-cli --cluster del-node 127.0.0.1:7001 <REMOVE_SLAVE_ID>
redis-cli --cluster del-node 127.0.0.1:7001 <REMOVE_MASTER_ID>
  1. 停掉相关进程

故障处理

节点故障恢复流程

  1. 检测故障节点：ping 不通
  2. 分析故障类型：通过 cluster info 查看集群状态 cluster_state 字段 && cluster nodes 查看节点状态
    • cluster_state: ok：可能是从节点故障
    • cluster_state: fail：可能是主节点故障
    • cluster_state: unknown：未知故障
  3. 执行故障恢复：
    • 尝试重启相关 Redis 进程：如果需要可以重置节点集群状态 CLUSTER RESET SOFT 后重新加入集群 CLUSTER MEET $failed_ip $failed_port
    • 手动故障转移：如果节点故障持续存在，可能需要手动触发故障转移，从节点上执行 CLUSTER FAILOVER FORCE
  4. 检查恢复结果：通过 cluster nodes 查看节点状态，确认故障节点已恢复

数据一致性检查

数据一致性检查是确保Redis集群数据完整性和可靠性的重要环节。

1. 槽位分配一致性检查

# 检查所有槽位是否完整分配
redis-cli --cluster check 127.0.0.1:7001

# 查看槽位分配详情
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 CLUSTER SLOTS

# 检查特定槽位的分配情况
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 CLUSTER KEYSLOT mykey
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 CLUSTER NODES | grep "0-5460"

2. 主从复制一致性检查

# 检查主从节点数据同步状态
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 INFO replication
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7004 INFO replication

# 比较主从节点的数据量
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 DBSIZE
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7004 DBSIZE

# 检查复制延迟
redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7004 LASTSAVE

3. 数据完整性验证

  • 写入足够分散的测试数据
  • 随机从集群中的节点读取数据进行验证

实践操作

需求描述

完成一个完整的 Redis Cluster 集群搭建、测试和管理过程：

  1. 搭建3主3从节点的Redis Cluster 集群
  2. 尝试扩容集群节点，添加一个主节点和一个从节点
  3. 尝试缩容集群节点，删除一个主节点和一个从节点
  4. 整个过程中，集群状态符合预期

实践细节和结果验证

# 1. 搭建3主3从节点的Redis Cluster 集群
# 准备目录
[root@localhost ~]# mkdir -pv /data/redis_cluster_cluster/{7101,7102,7103,7104,7105,7106}
# 为每个节点生成配置：参考 genrate_cluster_configs.sh 脚本
# 修改 BASE_DIR 为 /data/redis_cluster_cluster/ 
# 修改 BASE_PORT 为 7101
# 查看生成的目录文件结构
[root@localhost ~]# tree  /data/redis_cluster_cluster/
/data/redis_cluster_cluster/
├── node-7101
│   └── redis.conf
├── node-7102
│   └── redis.conf
├── node-7103
│   └── redis.conf
├── node-7104
│   └── redis.conf
├── node-7105
│   └── redis.conf
└── node-7106
    └── redis.conf
# 启动所有节点并创建集群： 参考 create_redis_cluster.sh 脚本
# 修改 BASE_DIR 为 /data/redis_cluster_cluster/ 
# 修改 BASE_PORT 为 7101
# 手动执行集群管理命令：集群状态符合预期

# 2. 尝试扩容集群节点，添加一个主节点和一个从节点
# 参考 cluster_scale_out.sh 脚本
# 修改 EXISTING_NODE 为 127.0.0.1:7101
# 修改 NEW_MASTER 为 127.0.0.1:7107
# 修改 NEW_SLAVE 为 127.0.0.1:7108
# 修改 BASE_DIR 为 /data/redis_cluster_cluster/

# 3. 尝试缩容集群节点，删除一个主节点和一个从节点
# 参考 cluster_scale_in.sh 脚本
# 修改 EXISTING_NODE 为 127.0.0.1:7101
# 修改 REMOVE_MASTER_ID 为 7107
# 修改 REMOVE_SLAVE_ID 为 7108
# 修改 BASE_DIR 为 /data/redis_cluster_cluster/