09 Redis之分布式系统(数据分区算法 + 系统搭建与集群操作)

6 分布式系统

Redis 分布式系统,官方称为 Redis Cluster,Redis 集群,其是 Redis 3.0 开始推出的分布式解决方案。其可以很好地解决不同 Redis 节点存放不同数据,并将用户请求方便地路由到不同 Redis 的问题。

什么是分布式系统?
每个集群中存储的数据不一致, 但又都为同一个系统服务.

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6.1 数据分区算法

常见的数据分区规则有两大类:顺序分区与哈希分区。

6.1.1 顺序分区

顺序分区规则可以将数据按照某种顺序平均分配到不同的节点。不同的顺序方式,产生了不同的分区算法。例如,轮询分区算法、时间片轮转分区算法、数据块分区算法、业务主题分区算法等。
这些算法都比较简单

6.1.1.1 轮询分区算法

每产生一个数据,就依次分配到不同的节点。该算法适合于数据问题不确定的场景。

在数据总量非常庞大的情况下,每个节点中数据是很平均的。但生产者与数据节点间的连接要长时间保持。

6.1.1.2 时间片轮转分区算法

在某人固定长度的时间片内的数据都会分配到一个节点。时间片结束,再产生的数据就会被分配到下一个节点。这些节点会被依次轮转分配数据。

该算法可能会出现节点数据不平均的情况(因为每个时间片内产生的数据量可能是不同的)。但生产者与节点间的连接只需占用当前正在使用的这个就可以,其它连接使用完毕后就立即释放。

6.1.1.2 数据块分区算法

该算法要求提前确定整体数据总量

根据各个节点的存储能力,提前安排将某一块数据放置于某一节点。

6.1.2 哈希分区算法

哈希分区规则是充分利用数据的哈希值来完成分配,对数据哈希值的不同使用方式产生
了不同的哈希分区算法。
哈希分区算法相对较复杂

6.1.2.1 节点取模分区算法

该算法的前提是,每个节点都已分配好了一个唯一序号,对于 N 个节点的分布式系统,其序号范围为[0, N-1]。然后选取数据本身或可以代表数据特征的数据的一部分作为 key,先计算key的哈希值为hash(key) , 再用hash(key)与节点数量 N 取模,该计算结果即为该数据的存储节点的序号。

该算法最大的优点是简单,但其也存在较严重的不足。如果分布式系统扩容或缩容,已经存储过的数据需要根据新的节点数量 N 进行数据迁移,否则用户根据 key 是无法再找到原来的数据的。

生产中扩容一般采用翻倍扩容方式,以减少扩容时数据迁移的比例。

6.1.2.2 一致性哈希分区算法

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6.1.2.3 虚拟槽分区算法

该算法首先虚拟出一个固定数量的整数集合,该集合中的每个整数称为一个 slot 槽。这个槽的数量一般是远远大于节点数量的。然后再将所有 slot 槽平均映射到各个节点之上。

例如,Redis 分布式系统中共虚拟了 16384 个 slot 槽,其范围为[0, 16383]。假设共有 3 个节点,那么 slot 槽与节点间的映射关系如下图所示:
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而数据只与 slot 槽有关系,与节点没有直接关系。数据只通过其 key 的 hash(key)映射到slot 槽:slot = hash(key) % slotNums。

这也是该算法的一个优点,解耦了数据与节点,客户端无需维护节点,只需维护与 slot 槽的关系即可。 并且支持了负载均衡

Redis 数据分区采用的就是该算法。其计算槽点的公式为:slot = CRC16(key) &16383。其中即位与位之间"与运算" , CRC16()是一种带有校验功能的、具有良好分散功能的、特殊的 hash 算法函数。

我们都知道取模符号是% , 即原本公式应为 :slot = CRC16(key) % 16384


若要计算 a % b,且 b 是 2 的整数次幂,那么 a % b = a & (b-1) ,而位运算明显更快, 因此Redis中采用取模运算.


6.2 分布式系统搭建与运行

6.2.1 系统搭建

6.2.1.1 系统架构

下面要搭建的 Redis 分布式系统由 6 个节点构成,这 6 个节点的地址及角色分别如下表所示。一个 master 配备一个 slave,不过 master 与 slave 的配对关系,在系统搭建成功后会自动分配。
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6.2.1.2 删除持久化文件

先将之前“Redis 主从集群”中在 Redis 安装目录下生成的 RDB 持久化文件 dump638*.conf与 AOF 持久化文件删除。

因为 Redis 分布式系统要求创建在一个空的数据库之上。
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6.2.1.3 创建公共conf和各自的conf
  1. 先在 Redis 安装目录中 mkdir 一个新的目录 cluster-dis,用作分布式系统的工作目录。

  2. 再复制 2 个配置文件, 即原先 cluster 目录中的 redis.conf 与 redis6380.conf

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  1. 修改公共conf文件
    A、 dir
    指定工作目录为前面创建的 cluster-dis 目录。持久化文件、节点配置文件将来都会在工作目录中自动生成。
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    B、 cluster-enabled
    该属性用于开启 Redis 的集群模式。
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    C、 cluster-config-file
    该属性用于指定“集群节点”的配置文件。该文件会在第一次节点启动时自动生成,其
    生成的路径是在 dir 属性指定的工作目录中。在集群节点信息发生变化后(如节点下线、故障转移等),节点会自动将集群状态信息保存到该配置文件中。
    不过,该属性在这里仍保持注释状态。在后面的每个节点单独的配置文件中配置它。
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    D、 cluster-node-timeout
    用于指定“集群节点”间通信的超时时间阈值,单位毫秒。
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  2. 修改单独的6380conf
    指定节点配置文件名 , 集群中节点发生变化时, 例如某个节点下线了, 故障转移, 都会记录到该文件中.
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  3. 复制剩余5个单独的conf文件
    使用 redis6380.conf 复制出 5 个配置文件 redis6381.conf、redis6382.conf、redis6383.conf、 redis6384.conf、redis6385.conf。
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  4. 修改 5 个配置文件
    修改 5 个配置文件 redis6381.conf、redis6382.conf、redis6383.conf、redis6384.conf、 redis6385.conf 的内容,将其中所有涉及的端口号全部替换为当前文件名称中的端口号。例如,下面的是 redis6381.conf 的配置文件内容。
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6.2.2 系统的启动和关闭

6.2.2.0 启停脚本

启动和停止的有点复杂, 不如直接做成一个脚本

需要注意的是, 该脚本仅用于学习, 因为生产环境下不会像现在一样搭建伪集群

在redis715/cluster-dis中新建这两个脚本
并且注意, 编写完成后还要增加权限 chmod 755 start-redis-cluster.sh

#!/bin/bash
rm -rf dump638*.rdb
rm -rf appendonlydir
rm -rf nodes-638*.confredis-server redis6380.conf
redis-server redis6381.conf
redis-server redis6382.conf
redis-server redis6383.conf
redis-server redis6384.conf
redis-server redis6385.confredis-cli --cluster create --cluster-replicas 1 192.168.177.129:6380 192.168.177.129:6381 192.168.177.129:6382 192.168.177.129:6383 192.168.177.129:6384 192.168.177.129:6385ps aux | grep redis
#!/bin/bashredis-cli -p 6380 shutdown
redis-cli -p 6381 shutdown
redis-cli -p 6382 shutdown
redis-cli -p 6383 shutdown
redis-cli -p 6384 shutdown
redis-cli -p 6385 shutdownps aux | grep redis
6.2.2.1 启动

在这里插入图片描述在这里插入图片描述
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第一部分: 已经使用虚拟槽分区算法进行数据分区
第二部分: 已为每一个master分配一个slave
第三部分: 三主三从redis的动态id/主机号端口号/槽分配/角色

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6.2.2.2 关闭

对于分布式系统的关闭, 只需要逐个shutdown即可

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6.3 集群操作

6.3.1 连接集群

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6.3.2 写入数据

正常写入中, 限制一次只能为一个key, 但value不限

6.3.2.1 key单个写入

无论value 类型为String 还是List、Set 等集合类型,只要只有一个key , 那么在分布式系统中就没有问题。例如,

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6.3.2.2 key批量操作

对一次写入多个 key 的操作,多个 key 会计算出多个 slot,多个 slot 可能会对应多个节点。

而由于一次只能写入一个节点,所以该操作会报错。

不过,系统也提供了一种对批量 key 的操作方案,为这些 key 指定一个统一的 group,让这个 group 作为计算 slot 的唯一值。
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6.3.3 集群查询

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6.3.4 故障转移

分布式系统中的某个 master 如果出现宕机,那么其相应的 slave 就会自动晋升为master。
如果原 master 又重新启动了,那么原 master 会自动变为新 master 的 slave。

6.3.4.1 模拟故障

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6.3.4.2 故障服务能力

如果某 slot 范围对应节点的 master 与 slave 全部宕机,那么整个分布式系统是否还可以对外提供读服务,就取决于属性 cluster-require-full-coverage 的设置。
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6.3.5 集群扩容

目标, 在原有系统的基础上, 在正在运行的分布式系统中添加两个新的节点:端口号为 6386 的节点为 master节点,其下会有一个端口号为 6387 的 slave 节点。

6.3.5.1 复制并修改两个单独的conf文件

使用 redis6380.conf 复制出 2 个配置文件 redis6386.conf 与 redis6387.conf,并修改其中的各处端口号为相应端口号,为集群扩容做前期准备。

6.3.5.2 启动系统与 2 个节点

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6.3.5.3 添加master节点

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6.3.5.4 分配slot

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在QA交互中, 一共问了四个问题

  • 准备移动多少 slot?
  • 准备由谁来接收移动的 slot?
  • 选择要移动 slot 的源节点。
    有两种方案。
    A. 如果选择键入 all,则所有已存在 slot 的节点都将作为 slot 源节点,即该方案将进行一次 slot 全局大分配。
    B. 也可以选择其它部分节点作为 slot 源节点。此时将源节点的动态 ID 复制到这里,每个 ID 键入完毕后回车,然后再复制下一个 slot 源节点动态 ID,直至最后一个键入完毕回车后再键入 done。
    这里键入的是 all,进行全局大分配。
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6.3.5.5 添加slave节点

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6.3.6 集群缩容

对于缩容 , 删除master和slave的操作是不一样的.

下面要将 slave 节点 6387 与 master 节点 6386 从分布式系统中删除。
总体上分为三步

  1. 删除slave节点
  2. 处理master分配到的slot
  3. 删除master
6.3.6.1 删除slave节点

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6.3.6.2 移除master节点所分配到的slot

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6.3.6.3 删除master节点

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6.4 分布式系统的限制

  • 仅支持 0 号数据库
  • 批量 key 操作支持有限
  • 分区仅限于 key
  • 事务支持有限
  • 不支持分级管理

6.5 Sentinel高可用集群启停脚本

上述都是演示普通的主从集群, 现在演示带有Sentinel的集群, 并且将启动和停止命令写入脚本

本示例采用三台Sentinel, 三台redis(一主两从)

bak是什么? 为什么要有bak?
之前演示Sentinel集群的时候看过, 只要一启动redis , 六台redis的conf文件就会多很多自动添加的内容, 但是这些内容的存在会导致下一次启动集群报错, 因此我们提前复制一份conf为conf.bak , 每次启动集群时都用conf.bak覆盖conf, 达到将conf文件复原的目的

然后再编写start-redis-sentinel脚本
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不要忘了chmod

并且检查一下daemonsize为yes

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