详解Redis集群的三种实现方案

admin 2023-11-05 699 阅读 0评论

Redis分布式存储的常见方案有：
1.「主从 (Master-Slave) 模式」主从复制，读写分离，数据备份。
2.「哨兵 (Sentinel) 模式」一主多从，哨兵监控，自动处理故障，容错和恢复。
3.「集群 (Cluster) 模式」多主多从，数据分片，在线扩容。

Redis集群切片的方式有：
1.「客户端分片」分片逻辑在Redis客户端实现，采用一致性哈希来决定Redis节点。
2.「中间件分片」借助中间件实现Redis节点的路由分派，根据路由规则将请求发送到正确的Redis节点上。
3. 「客户端服务端分片」Redis Cluster模式，客户端采用一致性哈希，服务端提供错误节点的重定向服务。

本文将详细介绍「Redis分布式存储」的3种方案和「Redis集群切片」的3种常见方式。

什么是Redis集群

Redis集群是由多个redis实例组成的集合，将缓存的数据分散到多个redis节点上存储，减轻单个缓存节点的访问压力，达到分流效果，提高了存储容量和吞吐量，提供高可用性和容错恢复能力，实现了水平扩容。

Redis集群的作用和优势

1. 处理大规模数据：将数据分散在多个节点上，从而突破单节点内存限制，有效应对数据量的增长和高并发的访问请求。

2. 高可用性：当主节点发生故障时，集群会自动选举新的主节点，从而实现故障转移，保证高可用性。

3. 可扩展性：Redis集群可以根据业务需求和系统负载，动态添加或删除节点，实现水平扩展，以适应数据规模的变化。

4. 高性能：Redis集群中的各个节点可以并行处理不同的请求，从而提高系统整体吞吐量和响应速度，适合于高并发访问的场景。

5. 自动故障转移：Redis集群通过哨兵节点监控主节点的健康状态，在主节点故障时，自动选举新的主节点，减少服务中断和数据丢失的风险。

1 主从（Master - Slave）模式

「主从模式的原理」

主从模式是指在Redis集群中有一个主节点(Master)和多个从节点(Slave)。

Master节点负责数据的写操作，Slave节点负责数据的读操作。

通过主从复制，将Master节点的数据变更同步到Slave节点。

「主从模式的优点」

1. 数据备份：通过主从复制，从节点备份主节点的数据，提高数据可靠性。

2. 读写分离：将读操作和写操作分配给不同的节点处理，提高系统稳定性。

3. 提升读取性能：通过多个从节点来分担读操作的压力，提高数据的查询效率。

「主从模式的缺点」

1. 没有容错和恢复的能力，存在单点故障：一旦Master节点故障，不会自动选出新的主节点，导致后续所有的写操作直接失败。

2. 可用性低：主节点故障时不能自动实现故障转移，需要人工干预手动切换，故障恢复时间长。

3. 没有实现数据分片，无法在线扩容，并发压力受限于单节点服务器的资源配置。

4. 集群中所有节点保存的都是全量数据，浪费内存空间，且数据量过大时严重影响主从同步的速度。

5. 单个主节点承担所有写操作，写操作受单节点性能瓶颈影响。

「主从模式的应用场景」

适用于数据备份、读写分离、对可用性要求不高，小规模数据处理的场景。

2 哨兵（Sentinel）模式

「哨兵模式的原理」

哨兵模式是在Redis主从集群的基础上加入了哨兵节点，监控主节点和从节点的状态。当Master节点出现故障时，哨兵节点会自动从剩余的Slave节点中选举出一个新的Master节点，并通知其他Slave节点和客户端。

「哨兵模式的优点」

1. 高可用性：提供故障的自动处理能力。

2. 容灾恢复：在主从模式数据备份的基础上，提供容错和自动恢复机制。

3. 读写分离：通过多个从节点来分担读操作的压力，提升读取性能。

4. 解决了单点故障：监测到master节点故障，会自动从slave节点中选出一个节点将其切换成master节点，在选举结束之前，redis会开启保护机制，禁止写操作，直到新的master节点产生。每个哨兵节点都是一个独立的进程，哨兵节点之间也会互相监控。

「哨兵模式的缺点」

1. 依然没有实现数据分片，无法在线扩容，并发压力受限于单节点服务器的资源配置。

2. 每个从节点和主节点的耦合度高，在主节点宕机到重新选举Master的期间，服务不可用。

3. 集群中所有节点保存的都是全量数据，浪费内存空间，且数据量过大时严重影响主从同步的速度。

4. 单个主节点承担所有写操作，写操作受单节点性能瓶颈影响。

「哨兵模式的应用场景」

适用于数据备份、容灾恢复，高可用性、小规模数据处理的场景。

3 集群（Cluster）模式

「Cluster的原理」

在Redis Cluster中，引入slot槽来实现数据分片，slot的整体取值范围是0~16383，每个节点会分配一个slot区间，数据分散在多个节点上。每个分片都是由一个Redis主机和多个从机组成，分片和分片之间是相互平行的。每个master节点负责维护一部分槽，以及槽所映射的键值数据。

在Redis Cluster中，数据被分为16384个槽，每个槽存储一部分数据。

数据分片是用CRC16算法对key进行hash操作，哈希计算的结果是16位的哈希值，将哈希值对16384取模，得到槽位编号。当存取Key的时候，根据槽位编号，找到对应的节点进行数据的读写。

「Cluster的优点」

1. 数据分片：基于slot槽的数据分片，突破单节点的内存限制，实现更大规模的数据分布式存储。

2. 横向扩展：实现在线动态横向扩缩容。

3. 高可用性：每个分片都是一个主节点对应多个从节点，主从复制，当Master出现故障，会从Slave节点中选举一个新的Master继续提供服务，实现自动故障转移。

「Cluster的缺点」

1. slave节点只是一个冷备节点，用于在主节点故障时接替其角色，不提供分担读操作的压力。

2. 对Redis里面的批量操作指令会有限制。

3. 客户端的实现会更加复杂。

「Cluster的应用场景」

适用于海量数据+高并发+高可用的场景。