集群简介

Redis 集群通过分区（partition）来提供一定程度的可用性（availability）： 即使集群中有一部分节点失效或者无法进行通讯， 集群也可以继续处理命令请求。

Redis 集群提供了以下两个好处：

• 将数据自动切分（split）到多个节点的能力。
• 当集群中的一部分节点失效或者无法进行通讯时， 仍然可以继续处理命令请求的能力。

Redis 集群数据共享

Redis 集群使用数据分片（sharding）而非一致性哈希（consistency hashing）来实现： 一个 Redis 集群包含 16384 个哈希槽（hash slot）， 数据库中的每个键都属于这 16384 个哈希槽的其中一个， 集群使用公式 CRC16(key) % 16384 来计算键 key 属于哪个槽， 其中 CRC16(key) 语句用于计算键 key 的 CRC16 校验和.

集群中的每个节点负责处理一部分哈希槽。举个例子， 一个集群可以有三个哈希槽， 其中：

• 节点 A 负责处理 0 号至 5500 号哈希槽。
• 节点 B 负责处理 5501 号至 11000 号哈希槽。
• 节点 C 负责处理 11001 号至 16384 号哈希槽。

这种将哈希槽分布到不同节点的做法使得用户可以很容易地向集群中添加或者删除节点。 比如说：

• **添加节点: **如果用户将新节点 D 添加到集群中， 那么集群只需要将节点 A 、B 、 C 中的某些槽移动到节点 D 就可以了。
• **删除节点: **与此类似,如果用户要从集群中移除节点 A ， 那么集群只需要将节点 A 中的所有哈希槽移动到节点 B 和节点 C ， 然后再移除空白（不包含任何哈希槽）的节点 A 就可以了。

因为将一个哈希槽从一个节点移动到另一个节点不会造成节点阻塞， 所以无论是添加新节点还是移除已存在节点， 又或者改变某个节点包含的哈希槽数量， 都不会造成集群下线。

Redis 集群中的主从复制

概念:为了使得集群在一部分节点下线或者无法与集群的大多数（majority）节点进行通讯的情况下， 仍然可以正常运作， Redis 集群对节点使用了主从复制功能： 集群中的每个节点都有 1 个至 N 个复制品（replica）， 其中一个复制品为主节点（master）， 而其余的 N-1 个复制品为从节点（slave）。

在之前列举的节点 A 、B 、C 的例子中， 如果节点 B 下线了， 那么集群将无法正常运行， 因为集群找不到节点来处理 5501 号至 11000 号的哈希槽。

另一方面， 假如在创建集群的时候（或者至少在节点 B 下线之前）， 我们为主节点 B 添加了从节点 B1 ， 那么当主节点 B 下线的时候， 集群就会将 B1 设置为新的主节点， 并让它代替下线的主节点 B ， 继续处理 5501 号至 11000 号的哈希槽， 这样集群就不会因为主节点 B 的下线而无法正常运作了。

不过如果节点 B 和 B1 都下线的话， Redis 集群还是会停止运作。

Redis 集群的一致性保证（guarantee）

Redis 集群不保证数据的强一致性（strong consistency）： 在特定条件下， Redis 集群可能会丢失已经被执行过的写命令。

丢失情况1: 使用异步复制（asynchronous replication）是 Redis 集群可能会丢失写命令的其中一个原因(还没复制完master主服务器就已经宕机了)。 考虑以下这个写命令的例子：

• 客户端向主节点 B 发送一条写命令。
• 主节点 B 执行写命令，并向客户端返回命令回复。
• 主节点 B 将刚刚执行的写命令复制给它的从节点 B1 、 B2 和 B3 。

如你所见， 主节点对命令的复制工作发生在返回命令回复之后， 因为如果每次处理命令请求都需要等待复制操作完成的话， 那么主节点处理命令请求的速度将极大地降低 —— 我们必须在性能和一致性之间做出权衡。

丢失情况2: 集群出现网络分裂（network partition）， 并且一个客户端与至少包括一个主节点在内的少数（minority）实例被孤立。

举个例子: 假设集群包含 A 、 B 、 C 、 A1 、 B1 、 C1 六个节点， 其中 A 、B 、C 为主节点， 而 A1 、B1 、C1 分别为三个主节点的从节点， 另外还有一个客户端 Z1 。

假设集群中发生网络分裂， 那么集群可能会分裂为两方， 大多数（majority）的一方包含节点 A 、C 、A1 、B1 和 C1 ， 而少数（minority）的一方则包含节点 B 和客户端 Z1 。

在网络分裂期间， 主节点 B 仍然会接受 Z1 发送的写命令：

• 如果网络分裂出现的时间很短， 那么集群会继续正常运行；
• 但是， 如果网络分裂出现的时间足够长， 使得大多数一方将从节点 B1 设置为新的主节点， 并使用 B1 来代替原来的主节点 B ， 那么 Z1 发送给主节点 B 的写命令将丢失。

注意， 在网络分裂出现期间， 客户端 Z1 可以向主节点 B 发送写命令的最大时间是有限制的， 这一时间限制称为节点超时时间（node timeout）， 是 Redis 集群的一个重要的配置选项：

• 对于大多数一方来说， 如果一个主节点未能在节点超时时间所设定的时限内重新联系上集群， 那么集群会将这个主节点视为下线， 并使用从节点来代替这个主节点继续工作。
• 对于少数一方， 如果一个主节点未能在节点超时时间所设定的时限内重新联系上集群， 那么它将停止处理写命令， 并向客户端报告错误。

Redis的三种集群方式

1.主从复制

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主从复制原理:

• 从服务器连接主服务器，发送SYNC命令；
• 主服务器接收到SYNC命名后，开始执行BGSAVE命令生成RDB文件并使用缓冲区记录此后执行的所有写命令；
• 主服务器BGSAVE执行完后，向所有从服务器发送快照文件，并在发送期间继续记录被执行的写命令；
• 从服务器收到快照文件后丢弃所有旧数据，载入收到的快照；
• 主服务器快照发送完毕后开始向从服务器发送缓冲区中的写命令；
• 从服务器完成对快照的载入，开始接收命令请求，并执行来自主服务器缓冲区的写命令；（从服务器初始化完成）
• 主服务器每执行一个写命令就会向从服务器发送相同的写命令，从服务器接收并执行收到的写命令（从服务器初始化完成后的操作）

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主从复制优缺点：
优点:

• 支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离
• 为了分载Master的读操作压力，Slave服务器可以为客户端提供只读操作的服务，写服务仍然必须由Master来完成
• Slave同样可以接受其它Slaves的连接和同步请求，这样可以有效的分载Master的同步压力。
• Master Server是以非阻塞的方式为Slaves提供服务。所以在Master-Slave同步期间，客户端仍然可以提交查询或修改请求。
• Slave Server同样是以非阻塞的方式完成数据同步。在同步期间，如果有客户端提交查询请求，Redis则返回同步之前的数据

缺点:

• Redis不具备自动容错和恢复功能:主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。
• 主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性。
• Redis较难支持在线扩容:在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

1.哨兵模式

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概念:当主服务器中断服务后，可以将一个从服务器升级为主服务器，以便继续提供服务，但是这个过程需要人工手动来操作。 为此，Redis 2.8中提供了哨兵工具来实现自动化的系统监控和故障恢复功能。

哨兵的作用:就是监控Redis系统的运行状况。它的功能包括以下两个。

• 监控主服务器和从服务器是否正常运行。
• 主服务器出现故障时自动将从服务器转换为主服务器。

哨兵的工作方式：

• 每个Sentinel（哨兵）进程以每秒钟一次的频率向整个集群中的Master主服务器，Slave从服务器以及其他Sentinel（哨兵）进程发送一个 PING 命令。
• 如果一个实例（instance）距离最后一次有效回复 PING 命令的时间超过 down-after-milliseconds 选项所指定的值， 则这个实例会被 Sentinel（哨兵）进程标记为主观下线（SDOWN）
• 如果一个Master主服务器被标记为主观下线（SDOWN），则正在监视这个Master主服务器的所有 Sentinel（哨兵）进程要以每秒一次的频率确认Master主服务器的确进入了主观下线状态
• 当有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程（大于等于配置文件指定的值）在指定的时间范围内确认Master主服务器进入了主观下线状态（SDOWN）， 则Master主服务器会被标记为客观下线（ODOWN）
• 在一般情况下， 每个 Sentinel（哨兵）进程会以每 10 秒一次的频率向集群中的所有Master主服务器、Slave从服务器发送 INFO 命令。
• 当Master主服务器被 Sentinel（哨兵）进程标记为客观下线（ODOWN）时，Sentinel（哨兵）进程向下线的 Master主服务器的所有 Slave从服务器发送 INFO 命令的频率会从 10 秒一次改为每秒一次。
• 若没有足够数量的 Sentinel（哨兵）进程同意 Master主服务器下线， Master主服务器的客观下线状态就会被移除。若 Master主服务器重新向 Sentinel（哨兵）进程发送 PING 命令返回有效回复，Master主服务器的主观下线状态就会被移除。

哨兵模式的优缺点
优点:

• 哨兵模式是基于主从模式的，所有主从的优点，哨兵模式都具有。
• 主从可以自动切换，系统更健壮，可用性更高。

缺点:

• Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。

3.Redis-Cluster集群

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redis的哨兵模式基本已经可以实现高可用，读写分离 ，但是在这种模式下每台redis服务器都存储相同的数据，很浪费内存，所以在redis3.0上加入了cluster模式，实现的redis的分布式存储，也就是说每台redis节点上存储不同的内容。

Redis-Cluster采用无中心结构,它的特点如下：

• 所有的redis节点彼此互联(PING-PONG机制),内部使用二进制协议优化传输速度和带宽。
• 节点的fail是通过集群中超过半数的节点检测失效时才生效。
• 客户端与redis节点直连,不需要中间代理层.客户端不需要连接集群所有节点,连接集群中任何一个可用节点即可。

工作方式:

在redis的每一个节点上，都有这么两个东西，一个是插槽（slot），它的的取值范围是：0-16383。还有一个就是cluster，可以理解为是一个集群管理的插件。当我们的存取的key到达的时候，redis会根据crc16的算法得出一个结果，然后把结果对 16384 求余数，这样每个 key 都会对应一个编号在 0-16383 之间的哈希槽，通过这个值，去找到对应的插槽所对应的节点，然后直接自动跳转到这个对应的节点上进行存取操作。

为了保证高可用，redis-cluster集群引入了主从模式，一个主节点对应一个或者多个从节点，当主节点宕机的时候，就会启用从节点。当其它主节点ping一个主节点A时，如果半数以上的主节点与A通信超时，那么认为主节点A宕机了。如果主节点A和它的从节点A1都宕机了，那么该集群就无法再提供服务了。

参考
高可用Redis服务架构分析与搭建
Redis集群教程
Redis的三种集群方式

Redis主从复制原理