Redis集群,你真的学会了吗?

目录

1、为什么引入集群

 1.1、先来了解集群是什么

1.2、哨兵模式的缺陷  + 引入集群解决了什么问题

 1.3、使用集群,如何存储数据

2、三种主流的分片方式【经典面试题】

 2.1、哈希求余算法 

2.1.1、哈希求余算法的介绍 

 2.1.2、哈希求余算法如何扩容

2.2、一致性哈希算法

2.2.1、一致性哈希的流程

2.2.1、一致性哈希算法中如何扩容

2.3、哈希槽分区算法

2.3.1、哈希槽分区算法介绍

2.3.2、哈希槽分区算法相关问题说明

3、Redis采用哪种分片方式

4、搭建集群环境(基于docker) 

4.1、创建目录

4.2、使用.sh脚本批量生成配置文件

4.3、编写docker-compose.yml文件

4.4、启动容器

4.5、构建集群

5、使用集群

6、故障处理-主节点挂了

6.1、故障判定

6.2、故障迁移

6.3、集群宕机

7、集群扩容

第一步:把新的主节点加入到集群

第二步:重新分配slots

第三步:给新的主节点添加从节点

8、删除主节点


1、为什么引入集群

 1.1、先来了解集群是什么

  • 广义上来说,只要是多个机器构成了一个分布式系统,都可以称为是一个“集群”
  • 狭义上来说,Redis提供的集群模式,这个集群模式之下,这要是解决存储空间不足而需要拓展存储空间的问题

        举例来说,我们前面提到过的主从复制和哨兵模式就属于是“广义上的集群”;Redis中的集群模式叫做狭义上的集群,也就是我们本篇文章要介绍的集群~

1.2、哨兵模式的缺陷  + 引入集群解决了什么问题

        哨兵 + 主从复制只能提高可用性,而不能提高数据的存储容量,当我们需要存的数据接近或超过机器的物理内存时,就需要引入更多的机器来存储数据。

        这种情况下,对数据的管理,只是使用哨兵和主从复制就难以胜任,引入集群后,不论是数据管理也好,还是后续存储空间需要扩容,都会更加友好的处理~

        总结一句话,引入集群就是解决了扩容问题~

 1.3、使用集群,如何存储数据

        假设有1TB的数据需要存储,我们此时使用集群的方式存储,例如分为三台机器来存储,如图:

        但实际上是不止这么几台机器的,还有从节点呢~

        上述中每个篮框部分,就是一个分片(Sharding),当需要更多的存储空间时,增加更多的分片即可~

        那么在这里又会引入一个新的问题,把数据分成多份,怎么分?

        下面介绍了三种主流的分片方式~


2、三种主流的分片方式【经典面试题】

 2.1、哈希求余算法 

2.1.1、哈希求余算法的介绍 

        小伙伴们肯定多少对哈希表的基本思想会有一点了解的,我就不具体解释了~
        在这里的分片方式中,简单来说就是借助一个哈希函数把key映射到整数,再针对数组的长度求余,就可以得到一个数组下标啦~

说明一:把key映射到整数

        因为求余中,当然是要求该数为整数,而key值不一定为整数,所以我们借助映射来得到每个不同的key所对应的整数。例如使用md5,就可以将一个字符串经过一系列的数学变换将其转换为一个整数【十六进制,并且计算出的所有字符串的长度都是固定的;结算出的结果比较分散,两个高度相似的字符串计算出的结果差异会很大;计算结果是不可逆的】

说明二:针对数组长度求余,分片方式中,数组长度怎么确定

        我们使用上述得到的整数模上一个分片数量。这里其实就是把分片的数量作为是数组长度~

        例如我们这里有三个分片,编号为 0、1、2:

        结合上图,也就是假设有几个key被转换为整数后为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11,给这些整数模3,在就可以把对应key的数据存储进去 ~

        在进行查询时,也是一样的步骤,先把key转换为整数,然后求余,再去对应的机器中查找~

 2.1.2、哈希求余算法如何扩容

         具体如何扩容,我们结合上面的例子来说,上面说假设有3个分片来存储,那我们再假设这个三个分片存储数据不够了,要进行扩容,需要我们再增加一个分片~

        此时增加分片后,我们需要对数据整理,也就是说原本的数组长度为3,此时变成了4,原本储存的那一大批数据就需要拿出来,重新存进去,如图:

        我们能看到,原本的12个数据,再次整理后,只有三个【图中标红了】还在原本的分片中,按照不精确的数学统计来说,需要重新搬运的数据高达百分之七十五以上~ 

        而且根据上图,我们能看到这里扩容时,是通过“替换”的方式来实现,搬运数据时需要单独先拿四台机器搬运,搬运完后,原本的三台机器才可以拿走到其他地方使用,相当于要同时使用七台机器,这还只是说主节点的机器呢!

        总结:哈希求余算法虽然实现相对简单,但是在扩容时依赖的机器较多,成本高,操作步骤也非常复杂~

2.2、一致性哈希算法

        一致性哈希最初提出来,就是为了解决上述哈希求余的缺点的,降低了扩容时搬运数据的开销,更加高效的进行扩容~

        在哈希求余算法中,各个数据是交替出现,也就是说整数 0 1 2这样的连续数据的存储位置是分别在三台不同的分片(机器)上的,而一致性哈希则会将其放置在同一个分片上~

2.2.1、一致性哈希的流程

步骤一:将0~2^32-1这个数据空间,映射到一个圆环上。数据按照顺时针方向增长~

图示:

步骤二:把分片放到圆环的某个位置上

图示: 

 

步骤三: 此时有一个key,计算得到hash值整数为H,此时就顺着这个H所在的位置顺时针往下找,找到的第一个分片就是这个key所从属的分片~

图示:

        相当于是,N个分片的位置把整个圆环分成了N个管辖区间,key的hash值落在哪个区间就归对应区间管理~ 

2.2.1、一致性哈希算法中如何扩容

        扩容结合下图来看:

        我们可以看到新增的分片放置在0号和2号分片中间,再进行数据搬运时,只需要将0号分片上一半的数据搬运到新增的3号分片上。

        这种搬运方式,带来的好处:

  • 搬运的成本变低
  • 需要搬运的数量相对来说较少了

        这种搬运方式的缺点:数据分布不均匀

        这个缺点有一种解决方案就是:每次扩容多搞几个分片。这个方案虽然可行,但是又会带来新的缺点,可能会导致很多分片上数据并不多,不仅需要的机器多,而且这些机器的内存空间利用率不一定高,就会造成浪费! 

2.3、哈希槽分区算法

         为了解决搬运成本高和数据分布不均匀的问题,提出了哈希槽算法~

2.3.1、哈希槽分区算法介绍

         首先准备16384个槽位,然后根据下列算法公式,放置key值。公式:hash_slot = crc16(key) % 16384

         公式说明:

  • crc16也是一种hash算法,和md5类似,计算后的值为整数~
  • 16384个槽位也就是[0,16383]
  • 并不是说每个槽位占据一个分片,而是把这些槽位均匀的分配给现有的分片,每个分片都需要记录自己当前有哪些槽位号~
2.3.2、哈希槽分区算法相关问题说明

 问题一:分片如何分配的槽位?

这个分配是很灵活的,不一定要求每个分片持有的的槽位必须连续~

例如分配1:

  • 0号分片:[0,5461],共5462个槽位
  • 1号分片:[5462,10923],共5462个槽位
  • 2号分片:[10924,16383],共5460个槽位

例如分配2:

  • 0号分片:[0,4461] + [13385,14385]
  • 1号分片:[4462,8+1923] + [14386,15386]
  • 2号分片:[1923,13384] + [15387,16383]

这里采用的相对平均比较的,而不是严格的均匀~

不管在实际情况中是如何分配的,只要每个分片知道自己是持有哪些槽位即可~ 

问题二:分片如何记录自己当前有哪些槽位号?

        每个分片都是使用“位图”的数据结构来表示出当前有多少槽位号~

        也就是说,16384个bit位,用每一位0/1来区分自己这个分片当前是否持有该槽位号~

问题三:新增分片时如何处理的 ?

新增时,可根据实际情况,灵活调整(Redis中当前某个分片包含哪些槽位是可以手动配置的),下面只是一个举例:

原本:

  • 0号分片:[0,5461],共5462个槽位
  • 1号分片:[5462,10923],共5462个槽位
  • 2号分片:[10924,16383],共5460个槽位

 新增后:

  • 0号分片:[0,4095],共4096个槽位
  • 1号分片:[5462,9557],共4096个槽位
  • 2号分片:[10924,15019],共4096个槽位
  • 3号分片:[4096,5461] + [9558,10923] + [15019,16383],共4096个槽位

问题四:Redis集群是最多有16384个分片吗?

        并非是Redis集群是最多有16384个分片。如果是这样的话,有16384个分片,一个分片持有一个槽位,那这对于集群的数据均匀是很难保证的,可能有的分片上有多个数据,有的分片上一个数据也没有;并且这么大规模的集群,本身的复杂度就会很高,不可避免的会导致出故障的概率就会越大~

问题五:为什么是16384个槽位?

  • 原因一:节点之间通过心跳包通信,心跳包中包含了该节点持有哪些slots(槽位),这个是使用位图来表示的,表示16384(16k)个slots,需要的位图大小为2kb。如果说给定的槽位数更多了,此时就需要消耗更多的空间,例如可能需要8kb位图来表示。虽然8kb也没多大但是在频繁的网络心跳包中还是一个不小的开销~
  • Redis集群一般建议不超过1000个分片(Redis官方的建议)~ 所以16k对于最大1000个分片来说是足够用的,同时也会使对应的槽位配置位图体积不至于很大~

3、Redis采用哪种分片方式

        Redis采用的是分片方式3 —— 哈希槽分区算法~


4、搭建集群环境(基于docker) 

        我们基于docker来搭建一个集群,每个节点都是一个容器,具体搭建出来的拓扑结构如下:

        接下来,我们先准备9个节点来掩饰集群的搭建【下面我们会顺便多准备2个节点,后续集群的扩容会用到~】 

4.1、创建目录

        看过上一篇的小伙伴,会知道我们有一个Redis目录,没有的小伙伴随便创建一个就好啦~

        我们进到这个Redis目录中先创建一个redis-cluster目录,然后再创建两个文件:

红框以外的目录是上一篇用到的,没有的小伙伴,不管了~

4.2、使用.sh脚本批量生成配置文件

        在Linux上以.sh后缀结尾的文件,称为“脚本”【不理解脚本是什么意思的小伙伴,可以理解他为一个“剧本”,他里面就是把一些命令放到一个文件里,让他们批量化执行。我个人感觉就是更加压榨计算机,放松双手~】 

将下面的内容复制到generate.sh文件中:

for port in $(seq 1 9); \
do \
mkdir -p redis${port}/
touch redis${port}/redis.conf
cat << EOF > redis${port}/redis.conf
port 6379
bind 0.0.0.0
protected-mode no
appendonly yes
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes.conf
cluster-node-timeout 5000
cluster-announce-ip 172.30.0.10${port}
cluster-announce-port 6379
cluster-announce-bus-port 16379
EOF
done#上下ip那里有些许差异for port in $(seq 10 11); \
do \
mkdir -p redis${port}/
touch redis${port}/redis.conf
cat << EOF > redis${port}/redis.conf
port 6379
bind 0.0.0.0
protected-mode no
appendonly yes
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes.conf
cluster-node-timeout 5000
cluster-announce-ip 172.30.0.1${port}
cluster-announce-port 6379
cluster-announce-bus-port 16379
EOF
done

说明:下图可能标注有点乱,根据我每句话前面标的序号顺序来看,会好一些~

        复制进去成功后,保存退出,执行命令:sh generate.sh  -->或bash generate.sh

我们可以来查看目录:

其中每个redis1/2/3/...节点中的配置文件redis.conf中的内容出ip外都是相同的,例redis1:

 

4.3、编写docker-compose.yml文件

 将以下内容复制进刚才创建的文件docker-compose.yml中:

version: '3.3'
networks:mynet:ipam:config:- subnet: 172.30.0.0/24
services:redis1:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis1restart: alwaysvolumes:- ./redis1/:/etc/redis/ports:- 6371:6379- 16371:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.101redis2:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis2restart: alwaysvolumes:- ./redis2/:/etc/redis/ports:- 6372:6379- 16372:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.102redis3:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis3restart: alwaysvolumes:- ./redis3/:/etc/redis/ports:- 6373:6379- 16373:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.103redis4:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis4restart: alwaysvolumes:- ./redis4/:/etc/redis/ports:- 6374:6379- 16374:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.104redis5:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis5restart: alwaysvolumes:- ./redis5/:/etc/redis/ports:- 6375:6379- 16375:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.105redis6:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis6restart: alwaysvolumes:- ./redis6/:/etc/redis/ports:- 6376:6379- 16376:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.106redis7:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis7restart: alwaysvolumes:- ./redis7/:/etc/redis/ports:- 6377:6379- 16377:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.107redis8:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis8restart: alwaysvolumes:- ./redis8/:/etc/redis/ports:- 6378:6379- 16378:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.108redis9:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis9restart: alwaysvolumes:- ./redis9/:/etc/redis/ports:- 6379:6379- 16379:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.109redis10:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis10restart: alwaysvolumes:- ./redis10/:/etc/redis/ports:- 6380:6379- 16380:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.110redis11:image: 'redis:5.0.9'container_name: redis11restart: alwaysvolumes:- ./redis11/:/etc/redis/ports:- 6381:6379- 16381:16379command:redis-server /etc/redis/redis.confnetworks:mynet:ipv4_address: 172.30.0.111

4.4、启动容器

命令:docker-compose up -d

【如果自己的服务器太小的话,执行这一步,服务器可能会崩掉,大家谨慎哈~】

        由于我的服务器太拉的原因,我就部署不了这么多节点了,我把从节点去掉了三个,相当于以前是每一个主节点有两个从节点,现在只有一个从节点了~

启动完毕:

4.5、构建集群

        按照我们预想的是前9个主机构建成集群,3主6从。而我现在实际是3主3从~

        构建命令如下:

redis-cli --cluster create 172.30.0.101:6379 172.30.0.102:6379 172.30.0.103:6379 172.30.0.104:6379 172.30.0.106:6379 172.30.0.108:6379  --cluster-replicas 1

  • --cluster create:表⽰建⽴集群. 后⾯填写每个节点的 ip 和地址(确保这个命令的 IP 和实际环境一致).
  • --cluster-replicas 1: 表⽰每个主节点需要两个从节点备份.  这个配置设置了以后,redis 就知道 2个节点是一伙的(一个分片上的),一共 6 个节点,一共是 3 个分片.
     

构建集群: 

构建成功:


5、使用集群

任意连接一个节点:下面是使用不同方式,连接上同一个节点:172.30.0.103:6379

说明:

  • 可以通过-h 连接,也可以通过-p连接
  • 使用-p直接到对外端口

查看信息:

注意点:

        当我们在启动时使用 -c 选项,此时redis客户端会根据当前key计算出的槽位号,自动匹配分片的主机,进一步完成操作~

如下:


6、故障处理-主节点挂了

6.1、故障判定

判定步骤:

  1. 节点A给节点B发送ping包,B就会给A返回一个pong包。心跳包的ping和pong除了message type 属性之外,其他部分都是一样的,例如会包含集群的配置信息(给节点的id,该节点从属于哪个分片,是主节点还从节点,从属于于谁,持有哪些slots的位图...)。
  2. 每个节点,每秒钟,都会给一些随机的节点发起ping包,而不是全发一遍,这样的设定是为了避免在节点很多的时候,心跳包也很多(例如9个节点,如果全发就是72组心跳包,随机发起一个,就只用发9组心跳包)
  3. 当节点A给节点B发送器ping包,B不能如期回应时,A就会尝试重置和B的tcp连接,看是否可以连接成功。如果仍然连接失败,A就会把B设为PFAIL状态(主观下线)
  4. A判定B为Pfail后,会通过Redis内置的Gossip协议,和其他节点进行沟通,向其他节点确认B的状态(每个节点都会维护一个自己的“下线列表”,由于视角不同,每个节点的下线列表也不一定相同)
  5. 此时A发现其他很多节点也认为B为Pfail,并且数目超过集群总个数的一半,那么A就会把B标记成fail(客观下线)。并且会把这个消息同步给其他节点(其他节点收到之后,也会把B标记为fail)
  6. 至此,B就彻底被判定为故障节点了~

例如,我们现在手动将redis1停了:

连接上redis2,观察结果:

        并且,后续redis1如果恢复了(重启了),他依然是从节点,因为主节点已经有了,他挂的时候,他的从节点就已经顶上了~

6.2、故障迁移

迁移流程:

  1. 从节点判定自己是否具有参选资格。如果从节点和主节点已经太久没通信,会认为从节点的数据和主节点的差异太大,时间超过阈值,就是失去竞选资格
  2. 具有竞选资格的节点,比如C和D,就会先休眠一定时间.【休眠时间 = 500ms基础时间 + [0,500ms]随机时间 + 排名*1000ms】offset的值越大,则排名越靠前
  3. 比如C的休眠时间到了,C就会给其他所有集群中的节点,进行拉票操作。但是只有主节点才有投票资格
  4. 主节点就会把自己的票投给C,当C收到的票数超过主节点数目的一半时,C就会晋升为主节点(C执行slaveof no one,并且让D执行slaveof C)
  5. 同时,C还会把自己成为主节点的消息,同步给其他集群的节点。其他节点也会随之更新自己保存的集群结构

        上述这种算法叫做Raft算法,是一种在分布式系统中广泛使用的算计.【在随机休眠时间的加持下,基本上就是谁先唤醒,谁就能成功竞选】

6.3、集群宕机

        以下三种情况,会出现集群宕机

  1.  某个分片,所有的节点全部挂了
  2. 某个分片,主节点挂了,但是没有从节点
  3. 超过半数的主节点都挂了

7、集群扩容

        扩容原因:存储空间不够了呗。下面的扩容,最终结果就是:增加了一个主节点redis10,并且redis11作为redis10的从节点~

由于我的服务器带不起来那么多节点,所以我就直接把redis6、redis8停了,再演示扩容操作:

步骤流程:

第一步:把新的主节点加入到集群

命令:

redis-cli --cluster add-node 172.30.0.110:6379 172.30.0.101:6379

说明:

  • add-node:第一个ip和端口号表示新增的节点是什么,第二个ip和端口号表示集群上的任意一个节点(随便是谁都行,主要是说明要加入的是哪个集群) 

可以看到,新增的节点还没有分配slots:

第二步:重新分配slots

命令:

redis-cli --cluster reshard 172.30.0.101:6379

输入命令后,会先打印出当前每个集群机器的情况,然后要求用户输入要切分多少个slots: 

        如果前面三个主节点,每一个都给这个新节点匀一部分slots,那么我们用16384/4即可,在这里填入4096:

输入后,又问,让哪个节点接收(填写id),我们直接粘贴redis10主机的id就可以了:

接着,又会让你选择从哪些节点且分出多少:

  • all  表示所有的主节点
  • 或者手动指定某个(以done结尾)

 这里我们输入all:

        输入all后,并不会真正的搬运,而是给出搬运的计划,下面会等待你输入yes后,才开始真正搬运,搬运时,不仅仅是slots重新划分,也会把slots上对应的数据,也进行搬运到新的节点(主机)上~【重量级操作】 

第三步:给新的主节点添加从节点

命令:

redis-cli --cluster add-node 172.30.0.111:6379 172.30.0.101:6379 --cluster-slave

说明,第一个ip和端口号表示新增的节点是什么,第二个ip和端口号表示集群上的某一个主节点,后面跟上--cluster-slaveof,表示加入后作为这个主节点的从节点存储~


8、删除主节点

命令:

redis-cli --cluster del-node 172.30.0.101:6379 节点id

第一个ip和端口号表示所在集群是哪个~

好啦,本期就到这里咯,下期见~~~

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&#x1f4d1;前言 本文主要是linux下使用Docker Compose部署Spug实现公网远程访问的文章&#xff0c;如果有什么需要改进的地方还请大佬指出⛺️ &#x1f3ac;作者简介&#xff1a;大家好&#xff0c;我是青衿&#x1f947; ☁️博客首页&#xff1a;CSDN主页放风讲故事 &am…

游戏平台采集数据

首先&#xff0c;你需要在你的项目中添加Kotlin的网络库&#xff0c;例如OkHttp。你可以在你的build.gradle文件中添加以下依赖&#xff1a; dependencies {implementation com.squareup.okhttp3:okhttp:4.9.0 }然后&#xff0c;你可以使用以下代码来创建一个基本的网络爬虫&a…

5年测试经验之谈:2年功能测试、3年自动化测试,从入门到25k...

毕业3年了&#xff0c;学的是环境工程专业&#xff0c;毕业后零基础转行做软件测试。 已近从事测试行业8年了&#xff0c;自己也从事过2年的手工测试&#xff0c;从事期间越来越觉得如果一直在手工测试的道路上前进&#xff0c;并不会有很大的发展&#xff0c;所以通过自己的努…

ZYNQ_project:IP_ram_pll_test

例化MMCM ip核&#xff0c;产生100Mhz&#xff0c;100Mhz并相位偏移180&#xff0c;50Mhz&#xff0c;25Mhz的时钟信号。 例化单口ram&#xff0c;并编写读写控制器&#xff0c;实现32个数据的写入与读出。 模块框图&#xff1a; 代码&#xff1a; module ip_top(input …

Flutter笔记:关于Flutter中的大文件上传(上)

Flutter笔记 关于Flutter中的大文件上传&#xff08;上&#xff09; 大文件上传背景与 Flutter 端实现文件分片传输 作者&#xff1a;李俊才 &#xff08;jcLee95&#xff09;&#xff1a;https://blog.csdn.net/qq_28550263 邮箱 &#xff1a;291148484163.com 本文地址&#…

matlab模糊控制文件m代码实现和基础理论

1、内容简介 略 15-可以交流、咨询、答疑 通过m代码来实现生成模糊文件fis文件 2、内容说明 模糊文件m代码实现和基础理论 matlab模糊控制文件m代码实现和基础理论 模糊文件、m代码和模糊基础理论 3、仿真分析 略 4、参考论文 略 链接&#xff1a;https://pan.baidu.co…

Sui学术研究奖公布,资助研究者探索人工智能、能源市场和区块链游戏

Sui基金会高兴地宣布首轮Sui学术研究奖&#xff08;SARAs&#xff09;的获奖者。SARAs计划提供资助&#xff0c;支持推动Sui区块链技术的研究。学术和研究界对我们的初次征集呈现出大量高质量的提案。 已接受的九个提案涵盖了各种主题&#xff0c;如token经济学、智能合约机制…

docker stop slow 解决

验证 NanoMQ stop slow 的问题 daemon 和非 daemon 两种方式 docker stop 都很慢 疑问是默认情况下&#xff0c;SIGTERM 会被处理。 模拟 docker 内发送 SIGTERM 信号 # The default signal for kill is TERM # pkill will send the specified signal (by defau…

开发知识点-Django

Django 1 了解简介2 Django项目结构3 url 地址 和视图函数4 路由配置5 请求及响应6 GET请求和POST请求查询字符串 7 Django设计模式及模板层8 模板层-变量和标签9 模板层-过滤器和继承继承 重写 10 url反向解析11 静态文件12 Django 应用及分布式路由创建之后 注册 一下 13 模型…