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哨兵主要針對單節(jié)點故障無法自動恢復(fù)的解決方案，集群主要針對單節(jié)點容量、并發(fā)問題、線性可擴展性的解決方案。本文使用官方提供的redis cluster。文末有你們想要的設(shè)置ssh背景哦！

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前言

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咔咔整理了一個路線圖，打造一份面試寶典，準備按照這樣的路線圖進行編寫文章，后期發(fā)現(xiàn)沒有補充到的知識點在進行添加。也期待各位伙伴一起來幫助補充一下。評論區(qū)見哦！

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本文主要圍繞如下幾個方面介紹集群

• 集群簡介
• 集群作用
• 配置集群
• 手動、自動故障轉(zhuǎn)移
• 故障轉(zhuǎn)移原理

本文實現(xiàn)環(huán)境

• centos 7.3
• redis 4.0
• redis工作目錄 /usr/local/redis
• 所有操作均在虛擬機模擬進行

一、集群簡介

集群是為了解決主從復(fù)制中單機內(nèi)存上限和并發(fā)問題，假如你現(xiàn)在的云服務(wù)內(nèi)存為256GB，當(dāng)達到這個內(nèi)存時redis就沒辦法再提供服務(wù)，同時數(shù)據(jù)量能達到這個地步寫數(shù)據(jù)量也會很大，容易造成緩沖區(qū)溢出，造成從節(jié)點無限的進行全量復(fù)制導(dǎo)致主從無法正常工作。

那么我們就需要把單機的主從改為多對多的方式并且所有的主節(jié)點都會連接在一起互相通信。這樣的方式既可以分擔(dān)單機內(nèi)存，也可以分發(fā)請求，提高系統(tǒng)的可用性。

如圖：當(dāng)有大量請求寫入時，不再會單一的向一個主節(jié)點發(fā)送指令，而會把指令進行分流到各個主節(jié)點，達到分擔(dān)內(nèi)存、避免大量請求的作用。

那么指令是如何進行分流存儲的呢！我們就需要到集群存儲結(jié)構(gòu)中一探究竟。

二、集群作用

• 分散單機的存儲能力，同時也可以很方便的實現(xiàn)擴展。
• 分流單機的訪問請求
• 提高系統(tǒng)的可用性

如何理解提高系統(tǒng)的可用性這句話，我們看下圖，當(dāng)master1宕機后對系統(tǒng)的影響不會那么大，仍然可以提供正常的服務(wù)。

這個時候就會有人問了，當(dāng)master1宕機后集群這個時候怎么工作呀！這個問題會在下文的故障轉(zhuǎn)移來給你解答。并且在原理篇會對這個問題進行詳解

三、集群存儲結(jié)構(gòu)

1. 存儲結(jié)構(gòu)

單機的存儲是當(dāng)用戶發(fā)起請求后直接把key存儲到自己的內(nèi)存即可。集群的存儲結(jié)構(gòu)就沒有那么簡單了，首先當(dāng)用戶發(fā)起一個key指令后需要做的事情。

• 通過CRC16(key)會計算出來一個值
• 用這個值取模16384，會得到一個值，我們就先認為是28
• 這個值28就是key保存的空間位置

那么現(xiàn)在問題來了，這個key到底應(yīng)該存儲在那個redis存儲空間里邊呢！

其實redis在集群啟動后就已經(jīng)把存儲空間劃分了16384份，每臺主機保存一部分。

這里需要注意的是我給每個redis存儲空間里邊的編號就相當(dāng)于一個小的存儲空間（專業(yè)術(shù)語“哈希槽”），你可以理解為一棟樓里邊的編號，一棟樓就是redis的整個存儲空間，每個房子的編號就相當(dāng)于一個存儲空間，這個存儲空間會有一定的區(qū)域來保存對應(yīng)的key，并非上圖取模后的位置。

箭頭指向的28是指的28會存儲在這個區(qū)域里，這個房子有可能會存儲29、30、31等。

此時問題來了，如果新增、減少一臺機器后怎么辦呢！看圖說話，能用圖說明盡量不去用文字。

在新增一臺機器后，會從其他三個存儲空間中拿出一定的槽分配給新的機器。這里可以自己設(shè)置想給新的機器放多少個槽。

同樣減少一臺機器后會把去掉的槽在重新分配給其它現(xiàn)有的機器跟新增節(jié)點一樣，可以指定節(jié)點接收槽。

所謂的增節(jié)點或去節(jié)點就是改變槽所存儲的位置不同。了解了集群的存儲結(jié)構(gòu)后，我們就需要在對另一個問題進行說明了，集群是如何設(shè)計內(nèi)部通訊呢！來了一個值，獲取一個key，去哪拿數(shù)據(jù)，跟著這個問題我們看下文。

2. 通訊設(shè)計

集群中的每個節(jié)點會在一定的時期給其它節(jié)點發(fā)送ping消息，其它節(jié)點返回pong作為響應(yīng)。經(jīng)過一段時間后所有節(jié)點都會知道集群全部節(jié)點的槽信息。

如下圖有三個節(jié)點，那么就會把16384個哈希槽分成三份。

分別為0-5500、5501-11000、11001-16384

當(dāng)用戶發(fā)起了一個key的請求，集群是如何處理請求的呢！

下圖的黑框代表這集群所有節(jié)點的槽信息，里邊還有很多其它信息。

如圖所示，用戶發(fā)起請求key，redis接收后計算key的槽位置，在根據(jù)槽位置找出對應(yīng)的節(jié)點

如果訪問的槽就在節(jié)點本身，那么就會直接返回key對應(yīng)數(shù)據(jù)。

否則會回復(fù)moved重定向錯誤， 并且給客戶端返回正確的節(jié)點。

然后重發(fā)key指令

四、配置集群

1. 修改配置文件

只需要注意咔咔圈中的配置信息即可

• cluster-enabled yes：開啟集群模式
• cluster-config-file nodes-6379.conf：集群配置文件
• clustre-node-timeout 10000：節(jié)點超時時間，這里為了方便測試設(shè)置為10s

2. 構(gòu)建6個節(jié)點的配置文件并全啟動

咔咔給大家提供一個命令可以很方便的替換文件sed 's/6379/6380/g' 6379-redis.conf > 6380-redis.conf

按照這樣的方式創(chuàng)建出來6個不同端口的配置文件

隨便打開一個配置文件查看，檢測是否替換成功為了查看日志信息方便，全部使用前臺啟動。并且查看服務(wù)是否都正常啟動，執(zhí)行命令ps -ef | grep redis

可以看到啟動后多了個cluster標(biāo)識，代表著都是集群的一個節(jié)點。所有節(jié)點啟動完成，集群啟動的指令需要基于ruby（咔咔使用redis版本為4.0）。接下來一起安裝

3. 安裝ruby

執(zhí)行命令wget https://cache.ruby-lang.org/pub/ruby/2.7/ruby-2.7.1.tar.gz

解壓：tar -xvzf ruby-2.7.1.tar.gz 根據(jù)自己下載的版本來解壓

安裝：./configure | make | make install這三個指令一氣呵成。

查看ruby和gem版本：ruby -v

4. 啟動集群

集群的執(zhí)行命令在/usr/local/redis/src/redis-trib.rb

注意如果需要直接使用redis-trib.rb命令，需要ln到bin目錄下，否則就必須使用./redis-trib.rb的方式。

如果按照步驟走，這里會出現(xiàn)一個錯誤執(zhí)行gem install redis很不幸的是在這里也會出現(xiàn)錯誤。隨后需要安裝yum install zlib-devel和yum install openssl-devel

安裝完成后，在/ruby-2.7.1/ext/openssl 和 /ruby-2.7.1/ext/zlib 分別執(zhí)行ruby extconf.rb并且執(zhí)行make | make install

然后在執(zhí)行gem install redis就OK這時在回頭來執(zhí)行./redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:6379 127.0.0.1:6380 127.0.0.1:6381 127.0.0.1:6382 127.0.0.1:6383 127.0.0.1:6384「信息解讀」

創(chuàng)建集群，并且給6個節(jié)點分配哈希槽，后三個節(jié)點配置為前三個節(jié)點的從節(jié)點顯示每個節(jié)點的哈希槽信息和節(jié)點ID，最后一步需要輸入yes來到data目錄下查看配置文件的變化。配置文件主要信息是每個主節(jié)點分的槽「查看主機點的運行日志」

這里給的主要信息cluster status changed:ok 集群狀態(tài)正常

5. 集群設(shè)置與獲取數(shù)據(jù)

當(dāng)直接設(shè)置數(shù)據(jù)會報錯，并且把name這個key進行轉(zhuǎn)化后的槽位置為5798 并且給出了ip地址和端口號。需要使用命令redis-cli -c

在進行設(shè)置值的時候提示說重定向到5798的這個槽接下來進行獲取數(shù)據(jù)，會自動的切換節(jié)點。

五、故障轉(zhuǎn)移

1. 集群從節(jié)點下線

根據(jù)上文集群啟動信息知道端口6383是6379的從節(jié)點。

接下來就是讓6383下線查看6379的日志信息。

6379會報出連接6383丟失，并且給上標(biāo)記fail，表示不可用。這個時候集群還是正常工作的。

「總結(jié)：從節(jié)點下線對集群沒有影響」當(dāng)端口6383上線后，所有的節(jié)點會把fail的標(biāo)記清除

2. 集群主節(jié)點下線

手動下線主節(jié)點6379，查看從節(jié)點6383日志信息

此時的6383節(jié)點會持續(xù)連接6379共計10次。那為什么是10次呢！ 是根據(jù)我們配置的參數(shù)cluster-node-timeout 10來決定的，這里給我們一個信息就是一秒連接一次

直到時間到期后，開始故障轉(zhuǎn)移。

這時6383在故障轉(zhuǎn)移選舉中勝任，翻身奴隸把歌唱，成為了主節(jié)點。此時在查看一下集群的節(jié)點信息，命令cluster nodes。

會發(fā)現(xiàn)這里竟然存在四個主節(jié)點，但是其中一個主節(jié)點時下線狀態(tài)「6379原主節(jié)點上線」

6379上線后，同樣所有的節(jié)點也會清除fail信息。

并且節(jié)點信息也會改變，此時的6379改變?yōu)?383的從節(jié)點。

3. 新增主節(jié)點

在新增倆個端口6385和6386執(zhí)行新增命令./redis-trib.rb add-node 127.0.0.1:6385 127.0.0.1:6379，這里發(fā)送的就是meet消息

執(zhí)行add-node命令，第一個參數(shù)為新節(jié)點的ip+端口 第二個參數(shù)為已存在集群中的節(jié)點。根據(jù)下圖我們就可以看到新增的節(jié)點已經(jīng)存在集群中了。

「注意：雖說6385已經(jīng)成為集群中的節(jié)點了，但是跟其它節(jié)點有區(qū)別。它沒有數(shù)據(jù)，也就是沒有哈希槽」接下來我們就需要把集群中的某些哈希槽分配到這個新節(jié)點上，分配結(jié)束后這個節(jié)點才會成為真正意義上的主節(jié)點

執(zhí)行命令./redis-trib.rb reshard 127.0.0.1:6385

會提示轉(zhuǎn)移多少個哈希槽并填寫接收節(jié)點的id

最后一步詢問是否從所有節(jié)點中轉(zhuǎn)移：咔咔使用的是all

使用指令：cluster nodes查看，6385的這個節(jié)點就已經(jīng)擁有三個范圍的哈希槽了

「主節(jié)點已經(jīng)新增好了，接下來就需要給6385這個主節(jié)點配置一個從節(jié)點6386」

命令：./redis-trib.rb add-node --slave --master-id dcc0ec4d0c932ac5c35ae76af4f9c5d27a422d9f 127.0.0.1:6386 127.0.0.1:6385

master-id是6385的id，第一個參數(shù)為新節(jié)點的ip+端口 第二個為指定的主節(jié)點ip+端口

4. 手動故障遷移

當(dāng)想對集群中的主節(jié)點進行升級的話可以手動執(zhí)行故障轉(zhuǎn)移到從節(jié)點，避免集群可用性受影響。

在從節(jié)點執(zhí)行命令：cluster failover

「執(zhí)行過程」

查看節(jié)點信息就可以看到6386這個節(jié)點已經(jīng)成為了主機點。

當(dāng)給從節(jié)點發(fā)送cluster failover 指令后，從節(jié)點會給主節(jié)點發(fā)送CLUSTERMSG_TYPE_MFSTART包。從節(jié)點請求主節(jié)點停止訪問，從而對比兩者的數(shù)據(jù)偏移量達到一致。

這時客戶端不會連接我們淘汰的主節(jié)點，同時主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送復(fù)制偏移量,從節(jié)點得到復(fù)制偏移量后故障轉(zhuǎn)移開始,接著通知主節(jié)點進行配置切換,當(dāng)客戶端在舊的master上解鎖后重新連接到新的主節(jié)點上。

六、故障轉(zhuǎn)移原理篇

上文中我們測試了故障轉(zhuǎn)移，主節(jié)點下線后從節(jié)點變?yōu)橹鞴?jié)點，接下來剖析這個過程。

1. 故障發(fā)現(xiàn)到確認

集群中的每個節(jié)點會定期的給其它節(jié)點發(fā)送ping消息，接收方用pong作為回復(fù)。

如果在cluster-node-timeout的時間內(nèi)ping消息一直失敗，則會把接收方的節(jié)點標(biāo)記為pfail狀態(tài)也就是主觀下線。

這個下線狀態(tài)是不是很熟悉。沒錯，這個跟哨兵判斷主節(jié)點是否異常有點相似。當(dāng)一個哨兵發(fā)現(xiàn)主節(jié)點有問題時也會標(biāo)記主節(jié)點客觀下線(s_down)。 突然發(fā)現(xiàn)跑題了，尷尬…….

在提一下哨兵，當(dāng)一個哨兵認為主節(jié)點異常后標(biāo)記主觀下線，但是其它哨兵怎么能會同意，不能你說什么就是什么。都會去嘗試連接異常的主節(jié)點，當(dāng)半數(shù)以上的哨兵都認為主節(jié)點異常后會直接讓其主節(jié)點客觀下線。

同樣集群也不會因為一個節(jié)點判斷其狀態(tài)為下線就行的，節(jié)點直接通過Gossip消息傳播，集群中節(jié)點會不斷收集故障節(jié)點的下線反饋并且存儲到本地的故障節(jié)點下線報告中。當(dāng)有半數(shù)以上的集群主節(jié)點都標(biāo)記為主觀下線后改變狀態(tài)為客觀下線。

最后向集群廣播一條fail消息，通知所有節(jié)點將故障節(jié)點標(biāo)記為客觀下線。

例如：節(jié)點A發(fā)送ping到節(jié)點B通信異常后標(biāo)記節(jié)點B為pfail，之后節(jié)點A會繼續(xù)給節(jié)點C發(fā)送ping并且攜帶節(jié)點B的pfail信息然后節(jié)點C將節(jié)點B的故障保存到下線報告中。當(dāng)下線報告數(shù)量大于有哈希槽主節(jié)點的一半數(shù)量以上后就會嘗試客觀下線。

2. 故障恢復(fù)（從節(jié)點從此翻身奴隸把歌唱）

當(dāng)故障節(jié)點被定義為客觀下線后，故障節(jié)點的所有從節(jié)點承擔(dān)故障恢復(fù)的責(zé)任。

故障恢復(fù)是從節(jié)點通過定時任務(wù)發(fā)現(xiàn)自己的主機點客觀下線后就會執(zhí)行故障恢復(fù)流程。

「1. 資格檢查」

所有的從節(jié)點都會進行檢查與主節(jié)點最后的連接時間，斷線時間大于cluster-node-time*cluster-slave-validity-factor時不具備故障轉(zhuǎn)移的資格。

「2. 準備選舉時間」

先說說為什么這里會有一個準備選舉時間。

資格檢查過后存在多個從節(jié)點，那么就需要使用不同的延遲選舉時間來支持優(yōu)先級。這里的優(yōu)先級就是 以復(fù)制偏移量為基準，偏移量越大與故障主節(jié)點的延遲越小，那么就更有機會擁有替換主節(jié)點的機會。

主要的作用就是確保數(shù)據(jù)一致性最好的節(jié)點優(yōu)先發(fā)起選舉

「3.選舉投票」

redis集群的投票機制沒有采用從節(jié)點進行領(lǐng)導(dǎo)選舉，這點切記不要跟哨兵搞混了。集群的投票機制都是持有槽的主機點進行投票的。

故障節(jié)點的從節(jié)點會廣播一個FAILOVER_AUTH_REQUEST 數(shù)據(jù)包給所有的持有槽的主節(jié)點請求投票。

當(dāng)主節(jié)點回復(fù)FAILOVER_AUTH_ACK投票后在NODE_TIMEOUT * 2的這段時間不能給其它的從節(jié)點投票

從節(jié)點獲取到半數(shù)以上的投票后就會進行故障恢復(fù)階段

「4. 故障轉(zhuǎn)移」

選舉成功的從節(jié)點取消復(fù)制變?yōu)橹鞴?jié)點

刪除故障節(jié)點的槽，并且將故障節(jié)點的槽委托到自己身上

向集群廣播自己的pong消息，通知主機點的改變和接管了故障節(jié)點的槽信息。

你們想要的ssh的背景?。?！

一篇利用倆個夜晚才弄完的redis哨兵文章，結(jié)果你們的關(guān)注點卻不在文章本身，??！小編心很痛

為了滿足大家的要求，咔咔忍痛說一下如何設(shè)置亮瞎的背景。咔咔使用的工具是xsheel打開工具選擇選項接著到查看有個窗口透明就可以設(shè)置xsheel透明了。對嘍！你想的沒錯這就是桌面背景，是不是準備開始設(shè)置去了。那設(shè)置完了回來再把文章看完好嗎？咔咔也需要各路大神給予技術(shù)點補充和辨錯。

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堅持學(xué)習(xí)、堅持寫博、堅持分享是咔咔從業(yè)以來一直所秉持的信念。希望在偌大互聯(lián)網(wǎng)中咔咔的文章能帶給你一絲絲幫助。我們下期再見。

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