redis 集群方案及搭建

• 2020 年 7 月 7 日
• 筆記

　由於Redis出眾的性能，其在眾多的移動互聯網企業中得到廣泛的應用。Redis在3.0版本前只支援單實例模式，雖然現在的伺服器記憶體可以到100GB、200GB的規模，但是單實例模式限制了Redis沒法滿足業務的需求（例如新浪微博就曾經用Redis存儲了超過1TB的數據）。Redis的開發者Antirez早在部落格上就提出在Redis 3.0版本中加入集群的功能，但3.0版本等到2015年才發布正式版。各大企業在3.0版本還沒發布前為了解決Redis的存儲瓶頸，紛紛推出了各自的Redis集群方案。這些方案的核心思想是把數據分片（sharding）存儲在多個Redis實例中，每一片就是一個Redis實例。

　　下面介紹Redis的集群方案。

　　1.客戶端分片

　　客戶端分片是把分片的邏輯放在Redis客戶端實現，通過Redis客戶端預先定義好的路由規則，把對Key的訪問轉發到不同的Redis實例中，最後把返回結果彙集。這種方案的模式如圖1所示。

　　                                                                                                                               圖1 客戶端分片的模式

　　客戶端分片的好處是所有的邏輯都是可控的，不依賴於第三方分散式中間件。開發人員清楚怎麼實現分片、路由的規則，不用擔心踩坑。

　　客戶端分片方案有下面這些缺點。

這是一種靜態的分片方案，需要增加或者減少Redis實例的數量，需要手工調整分片的程式。

可運維性差，集群的數據出了任何問題都需要運維人員和開發人員一起合作，減緩了解決問題的速度，增加了跨部門溝通的成本。

在不同的客戶端程式中，維護相同的分片邏輯成本巨大。例如，系統中有兩套業務系統共用一套Redis集群，一套業務系統用Java實現，另一套業務系統用PHP實現。為了保證分片邏輯的一致性，在Java客戶端中實現的分片邏輯也需要在PHP客戶端實現一次。相同的邏輯在不同的系統中分別實現，這種設計本來就非常糟糕，而且需要耗費巨大的開發成本保證兩套業務系統分片邏輯的一致性。

　　2.Twemproxy

　　Twemproxy是由Twitter開源的Redis代理，其基本原理是：Redis客戶端把請求發送到Twemproxy，Twemproxy根據路由規則發送到正確的Redis實例，最後Twemproxy把結果彙集返回給客戶端。

　　Twemproxy通過引入一個代理層，將多個Redis實例進行統一管理，使Redis客戶端只需要在Twemproxy上進行操作，而不需要關心後面有多少個Redis實例，從而實現了Redis集群。

　　Twemproxy集群架構如圖2所示。

　　                                                                                                                      圖2Twemproxy集群架構

　　Twemproxy的優點如下。

客戶端像連接Redis實例一樣連接Twemproxy，不需要改任何的程式碼邏輯。

支援無效Redis實例的自動刪除。

Twemproxy與Redis實例保持連接，減少了客戶端與Redis實例的連接數。

　　Twemproxy有如下不足。

由於Redis客戶端的每個請求都經過Twemproxy代理才能到達Redis伺服器，這個過程中會產生性能損失。

沒有友好的監控管理後台介面，不利於運維監控。

最大的問題是Twemproxy無法平滑地增加Redis實例。對於運維人員來說，當因為業務需要增加Redis實例時工作量非常大。

　　Twemproxy作為最被廣泛使用、最久經考驗、穩定性最高的Redis代理，在業界被廣泛使用。

　　3.Codis

　　Twemproxy不能平滑增加Redis實例的問題帶來了很大的不便，於是豌豆莢自主研發了Codis，一個支援平滑增加Redis實例的Redis代理軟體，其基於Go和C語言開發，並於2014年11月在GitHub上開源。

　　Codis包含下面4個部分。

Codis Proxy：Redis客戶端連接到Redis實例的代理，實現了Redis的協議，Redis客戶端連接到Codis Proxy進行各種操作。Codis Proxy是無狀態的，可以用Keepalived等負載均衡軟體部署多個Codis Proxy實現高可用。

CodisRedis：Codis項目維護的Redis分支，添加了slot和原子的數據遷移命令。Codis上層的 Codis Proxy和Codisconfig只有與這個版本的Redis通訊才能正常運行。

Codisconfig：Codis管理工具。可以執行添加刪除CodisRedis節點、添加刪除Codis Proxy、數據遷移等操作。另外，Codisconfig自帶了HTTP server，裡面集成了一個管理介面，方便運維人員觀察Codis集群的狀態和進行相關的操作，極大提高了運維的方便性，彌補了Twemproxy的缺點。

ZooKeeper：分散式的、開源的應用程式協調服務，是Hadoop和Hbase的重要組件，其為分散式應用提供一致性服務，提供的功能包括：配置維護、名字服務、分散式同步、組服務等。Codis依賴於ZooKeeper存儲數據路由表的資訊和Codis Proxy節點的元資訊。另外，Codisconfig發起的命令都會通過ZooKeeper同步到CodisProxy的節點。

　　Codis的架構如圖3所示。

　　                                                                                                                            圖3Codis的架構圖

　　在圖3的Codis的架構圖中，Codis引入了Redis Server Group，其通過指定一個主CodisRedis和一個或多個從CodisRedis，實現了Redis集群的高可用。當一個主CodisRedis掛掉時，Codis不會自動把一個從CodisRedis提升為主CodisRedis，這涉及數據的一致性問題（Redis本身的數據同步是採用主從非同步複製，當數據在主CodisRedis寫入成功時，從CodisRedis是否已讀入這個數據是沒法保證的），需要管理員在管理介面上手動把從CodisRedis提升為主CodisRedis。

　　如果覺得麻煩，豌豆莢也提供了一個工具Codis-ha，這個工具會在檢測到主CodisRedis掛掉的時候將其下線並提升一個從CodisRedis為主CodisRedis。

　　Codis中採用預分片的形式，啟動的時候就創建了1024個slot，1個slot相當於1個箱子，每個箱子有固定的編號，範圍是1~1024。slot這個箱子用作存放Key，至於Key存放到哪個箱子，可以通過演算法「crc32(key)%1024」獲得一個數字，這個數字的範圍一定是1~1024之間，Key就放到這個數字對應的slot。例如，如果某個Key通過演算法「crc32(key)%1024」得到的數字是5，就放到編碼為5的slot（箱子）。1個slot只能放1個Redis Server Group，不能把1個slot放到多個Redis Server Group中。1個Redis Server Group最少可以存放1個slot，最大可以存放1024個slot。因此，Codis中最多可以指定1024個Redis Server Group。

　　Codis最大的優勢在於支援平滑增加（減少）Redis Server Group（Redis實例），能安全、透明地遷移數據，這也是Codis 有別於Twemproxy等靜態分散式 Redis 解決方案的地方。Codis增加了Redis Server Group後，就牽涉到slot的遷移問題。例如，系統有兩個Redis Server Group，Redis Server Group和slot的對應關係如下。

　　當增加了一個Redis Server Group，slot就要重新分配了。Codis分配slot有兩種方法。

　　第一種：通過Codis管理工具Codisconfig手動重新分配，指定每個Redis Server Group所對應的slot的範圍，例如可以指定Redis Server Group和slot的新的對應關係如下。

　　第二種：通過Codis管理工具Codisconfig的rebalance功能，會自動根據每個Redis Server Group的記憶體對slot進行遷移，以實現數據的均衡。

　　4.Redis 3.0集群

　　Redis 3.0集群採用了P2P的模式，完全去中心化。Redis把所有的Key分成了16384個slot，每個Redis實例負責其中一部分slot。集群中的所有資訊（節點、埠、slot等），都通過節點之間定期的數據交換而更新。

　　Redis客戶端在任意一個Redis實例發出請求，如果所需數據不在該實例中，通過重定向命令引導客戶端訪問所需的實例。

　　Redis 3.0集群的工作流程如圖4所示。

　　                                                                                                                             圖4Redis 3.0集群的工作流程圖

   如圖4所示Redis集群內的機器定期交換數據，工作流程如下。

　　（1） Redis客戶端在Redis2實例上訪問某個數據。

　　（2） 在Redis2內發現這個數據是在Redis3這個實例中，給Redis客戶端發送一個重定向的命令。

　　（3） Redis客戶端收到重定向命令後，訪問Redis3實例獲取所需的數據。

　Redis 3.0的集群方案有以下兩個問題。

              一個Redis實例具備了「數據存儲」和「路由重定向」，完全去中心化的設計。這帶來的好處是部署非常簡單，直接部署Redis就行，不像Codis有那麼多的組件和依賴。但帶來的問題是很難對業務進行無痛的升級，如果哪天Redis集群出了什麼嚴重的                Bug，就只   能回滾整個Redis集群。

       對協議進行了較大的修改，對應的Redis客戶端也需要升級。升級Redis客戶端後誰能確保沒有Bug？而且對於線上已經大規模運行的業務，升級程式碼中的Redis客戶端也是一個很麻煩的事情。

　　綜合上面所述的兩個問題，Redis 3.0集群在業界並沒有被大規模使用。

　　5.雲伺服器上的集群服務

　　中國的雲伺服器提供商阿里雲、UCloud等均推出了基於Redis的雲存儲服務。

　　這個服務的特性如下。

　　（1）動態擴容

　　用戶可以通過控制面板升級所需的Redis存儲空間，擴容的過程中服務部不需要中斷或停止，整個擴容過程對用戶透明、無感知，這點是非常實用的，在前面介紹的方案中，解決Redis平滑擴容是個很煩瑣的任務，現在按幾下滑鼠就能搞定，大大減少了運維的負擔。

　　（2）數據多備

　　數據保存在一主一備兩台機器中，其中一台機器宕機了，數據還在另外一台機器上有備份。

　　（3）自動容災

　　主機宕機後系統能自動檢測並切換到備機上，實現服務的高可用。

　　（4）實惠

　　很多情況下為了使Redis的性能更高，需要購買一台專門的伺服器用於Redis的存儲服務，但這樣子CPU、記憶體等資源就浪費了，購買Redis雲存儲服務就很好地解決了這個問題。

　　有了Redis雲存儲服務，能使App後台開發人員從煩瑣運維中解放出來。App後台要搭建一個高可用、高性能的Redis服務，需要投入相當的運維成本和精力。如果使用雲存儲服務，就沒必要投入這些成本和精力，可以讓App後台開發人員更專註於業務。