Redis 集群簡介

Redis Cluster 即 Redis 集群，是 Redis 官方在 3.0 版本推出的一套分布式存儲方案。完全去中心化，由多個節點組成，所有節點彼此互聯。Redis 客戶端可以直接連接任何一節點獲取集群中的鍵值對，不需要中間代理，如果該節點不存在用戶所指定的鍵值，其內部會自動把客戶端重定向到鍵值所在的節點。

Redis 集群是一個網狀結構，每個節點都通過 TCP 連接跟其他每個節點連接。在一個有 N 個節點的集群中，每個節點都有 N-1 個流出的 TCP 連接，和 N-1 個流入的連接，這些 TCP 連接會永久保持。

Redis Cluster 同其他分布式存儲系統一樣，主要具備以下兩個功能：

數據分區
Redis 集群會將用戶數據分散保存至各個節點中，突破單機 Redis 內存最大存儲容量。集群引入了 哈希槽slot的概念，其搭建完成后會生 16384 個哈希槽slot，同時會根據節點的數量大致均等的將 16384 個哈希槽映射到不同的節點上。當用戶存儲key-value時，集群會先對key進行 CRC16 校驗然后對 16384 取模來決定key-value放置哪個槽，從而實現自動分割數據到不同的節點上。

數據冗余
Redis 集群支持主從復制和故障恢復。集群使用了主從復制模型，每個主節點master應至少有一個從節點slave。假設某個主節點故障，其所有子節點會廣播一個數據包給集群里的其他主節點來請求選票，一旦某個從節點收到了大多數主節點的回應，那么它就贏得了選舉，被推選為主節點，負責處理之前舊的主節點負責的哈希槽。

關于 Redis Cluster 詳細介紹以及實現原理請參見 Redis Cluster 教程 和 Redis Cluster 規范，在此不再贅述。

下載 & 安裝 Redis

實驗環境信息
Linux 版本：CentOS Linux release 7.4.1708
Redis 版本：5.0.3

先在服務器或虛擬機中安裝一個單機 Redis，如果已安裝可以跳過本節，未安裝過的正好學習下。

進入 Redis 待安裝目錄。

cd /usr/local

下載、解壓 Redis 源代碼壓縮包。

wget http://download.redis.io/releases/redis-5.0.3.tar.gz
tar -zxvf redis-5.0.3.tar.gz

然后進入解壓后的目錄并使用 make 命令執行編譯安裝 Redis。

cd redis-5.0.3
make && make install

不要高興，因為你極有可能會遇到因為 GCC 編譯器未安裝導致編譯失敗的情況。不要著急，請順序執行如下命令。

yum -y install gcc
make distclean 
make && make install

Redis 基于 C 語言開發，故編譯源碼需要 GCC（Linux下的一個編譯器，這里需要用來編譯.c文件）的支持。如機器上未安裝需要先執行命令yum -y install gcc安裝 GCC 編譯工具，然后make distclean清除之前生成的文件，最后make && make install重新編譯安裝。

最終出現類似下文輸出則表示 Redis 安裝成功。

......
Hint: It's a good idea to run 'make test' ;)

    INSTALL install
    INSTALL install
    INSTALL install
    INSTALL install
    INSTALL install
make[1]: 離開目錄“/usr/local/redis-5.0.3/src”

如果源碼編譯無誤且執行結果正確，make install命令會將程序安裝至系統預設的可執行文件存放路徑，一般是/usr/local/bin目錄，可以通過如下終端輸出確認。當然，也可以使用make install PREFIX=<path>命令安裝到指定路徑。

[root@localhost bin]# cd /usr/local/bin
[root@localhost bin]# ls -l
總用量 32672
-rwxr-xr-x. 1 root root 4367328 3月   6 06:11 redis-benchmark
-rwxr-xr-x. 1 root root 8092024 3月   6 06:11 redis-check-aof
-rwxr-xr-x. 1 root root 8092024 3月   6 06:11 redis-check-rdb
-rwxr-xr-x. 1 root root 4802696 3月   6 06:11 redis-cli
lrwxrwxrwx. 1 root root      12 3月   6 06:11 redis-sentinel -> redis-server
-rwxr-xr-x. 1 root root 8092024 3月   6 06:11 redis-server

至此，單機 Redis 安裝完成。

搭建 Redis 集群

進入正題。

依據 Redis Cluster 內部故障轉移實現原理，Redis 集群至少需要 3 個主節點，而每個主節點至少有 1 從節點，因此搭建一個集群至少包含 6 個節點，三主三從，并且分別部署在不同機器上。

條件有限，測試環境下我們只能在一臺機器上創建一個偽集群，通過不同的 TCP 端口啟動多個 Redis 實例，組成集群。

目前 Redis Cluster 的搭建有兩種方式：

1. 手動方式搭建，即手動執行 cluster 命令，一步步完成搭建流程。
2. 自動方式搭建，即使用官方提供的集群管理工具快速搭建。

兩種方式原理一樣，自動搭建方式只是將手動搭建方式中需要執行的 Redis 命令封裝到了可執行程序。生產環境下推薦使用第二種方式，簡單快捷，不易出錯。不過本文實戰演示兩種方式都會提及。

手動方式搭建

啟動節點

搭建集群的第一步就是要先把參與搭建集群的每個節點啟動起來。

由于我們這是在一臺機器上模擬多個節點，可以預先規劃下各個節點的屬性：

節點編號	IP 地址	TCP 端口	節點類型	從節點	啟動配置
A	127.0.0.1	7001	主	D	/usr/local/redis-cluster/7001/redis.conf
B	127.0.0.1	7002	主	E	/usr/local/redis-cluster/7002/redis.conf
C	127.0.0.1	7003	主	F	/usr/local/redis-cluster/7003/redis.conf
D	127.0.0.1	8001	從	/	/usr/local/redis-cluster/8001/redis.conf
E	127.0.0.1	8002	從	/	/usr/local/redis-cluster/8002/redis.conf
F	127.0.0.1	8003	從	/	/usr/local/redis-cluster/8003/redis.conf

根據上述規劃，可以先通過如下命令創建各個節點啟動配置文件的存放目錄。

mkdir /usr/local/redis-cluster
cd redis-cluster
mkdir -p 7001 7002 7003 8001 8002 8003

順序執行如下行命令，進入 Redis 源碼包目錄并將默認配置文件redis.conf分別復制到六個節點配置存放目錄中，作為各自節點啟動配置文件。

cd /usr/local/redis-5.0.3
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/7001 
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/7002
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/7003 
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/8001
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/8002 
cp redis.conf /usr/local/redis-cluster/8003

接下來需要分別修改每個節點的配置文件。下面貼的是節點 A 的配置文件/usr/local/redis-cluster/7001/redis.conf中啟用或修改的一些必要參數。其他節點 B、C、D、E、F 參照修改，注意把涉及端口的地方修改成各自節點預先規劃的即可。

bind 192.168.83.128                    # 設置當前節點主機地址       
port 7001                              # 設置客戶端連接監聽端口     
pidfile /var/run/redis_7001.pid        # 設置 Redis 實例 pid 文件       
daemonize yes                          # 以守護進程運行 Redis 實例     
cluster-enabled yes                    # 啟用集群模式
cluster-node-timeout 15000             # 設置當前節點連接超時毫秒數
cluster-config-file nodes-7001.conf    # 設置當前節點集群配置文件路徑

完成上述工作就可以通過如下幾組命令啟動待搭建集群中的 6 個節點了。

/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/7001/redis.conf
/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/7002/redis.conf
/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/7003/redis.conf
/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/8001/redis.conf
/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/8002/redis.conf
/usr/local/bin/redis-server /usr/local/redis-cluster/8003/redis.conf

最后通過ps -ef|grep redis命令確認各個節點服務是否已經正常運行。

[root@localhost bin]# ps -ef|grep redis
root       5613      1  0 04:25 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:7001 [cluster]
root       5650      1  0 04:26 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:7002 [cluster]
root       5661      1  0 04:26 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:7003 [cluster]
root       5672      1  0 04:27 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:8001 [cluster]
root       5681      1  0 04:27 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:8002 [cluster]
root       5690      1  0 04:27 ?        00:00:00 /usr/local/bin/redis-server 127.0.0.1:8003 [cluster]
root       5731   1311  0 04:28 pts/0    00:00:00 grep --color=auto redis

如上輸出可以看出上面規劃的 6 個節點都成功啟動。

節點握手

雖然上面 6 個節點都啟用了群集支持，但默認情況下它們是不相互信任或者說沒有聯系的。節點握手就是在各個節點之間創建鏈接（每個節點與其他節點相連），形成一個完整的網格，即集群。

節點握手的命令如下：

cluster meet ip port

但為了創建群集，不需要發送形成完整網格所需的所有 cluster meet 命令。只要能發送足夠的cluster meet消息，可以讓每個節點都可以通過一系列已知節點到達每個其他節點，缺失的鏈接將被自動創建。

例如，如果我們通過cluster meet將節點 A 與節點 B 連接起來，并將 B 與 C 連接起來，則 A 和 C 會自己找到握手方式并創建鏈接。

我們的創建的 6 個節點可以通過 redis-cli 連接到 A 節點執行如下五組命令完成握手，生產環境需要將 IP 127.0.0.1替換成外網 IP。

cluster meet 127.0.0.1 7002
cluster meet 127.0.0.1 7003
cluster meet 127.0.0.1 8001
cluster meet 127.0.0.1 8002
cluster meet 127.0.0.1 8003

如上述命令正常執行輸出結果如下。

[root@localhost bin]# /usr/local/bin/redis-cli -p 7001
127.0.0.1:7001> cluster meet 127.0.0.1 7002
OK
127.0.0.1:7001> cluster meet 127.0.0.1 7003
OK
127.0.0.1:7001> cluster meet 127.0.0.1 8001
OK
127.0.0.1:7001> cluster meet 127.0.0.1 8002
OK
127.0.0.1:7001> cluster meet 127.0.0.1 8003
OK

接下來可以通過 cluster nodes 命令查看節點之間 的鏈接狀態。我隨機找了兩個節點 B 和 F 測試，輸出結果如下所示。

[root@localhost /]# /usr/local/bin/redis-cli -p 7002 cluster nodes
61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12 127.0.0.1:7001@17001 master - 0 1552220691885 4 connected
a8a41694f22977fda78863bdfb3fc03dd1fab1bd 127.0.0.1:8002@18002 master - 0 1552220691000 5 connected
51987c4b5530c81f2845bb9d521daf6d3dce3659 127.0.0.1:8001@18001 master - 0 1552220690878 3 connected
1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb 127.0.0.1:7002@17002 myself,master - 0 1552220690000 1 connected
19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8 127.0.0.1:7003@17003 master - 0 1552220691000 2 connected
ed6fd72e61b747af3705b210c7164bc68739303e 127.0.0.1:8003@18003 master - 0 1552220690000 0 connected
[root@localhost /]# /usr/local/bin/redis-cli -p 8002 cluster nodes
1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb 127.0.0.1:7002@17002 master - 0 1552220700255 1 connected
ed6fd72e61b747af3705b210c7164bc68739303e 127.0.0.1:8003@18003 master - 0 1552220703281 0 connected
19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8 127.0.0.1:7003@17003 master - 0 1552220700000 2 connected
a8a41694f22977fda78863bdfb3fc03dd1fab1bd 127.0.0.1:8002@18002 myself,master - 0 1552220701000 5 connected
61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12 127.0.0.1:7001@17001 master - 0 1552220702275 4 connected
51987c4b5530c81f2845bb9d521daf6d3dce3659 127.0.0.1:8001@18001 master - 0 1552220701265 3 connected

可以看到，節點 B 和節點 F 都已經分別和其他 5 個節點建立鏈接。

至此，節點握手完成。

分配槽位

此時 Redis 集群還并沒有處于上線狀態，可以在任意一節點上執行 cluster info 命令來查看目前集群的運行狀態。

[root@localhost ~]# /usr/local/bin/redis-cli -p 7001 cluster info
cluster_state:fail
......

上面輸出cluster_state:fail表示當前集群處于下線狀態。因為只有給集群中所有主節點分配好槽位（即哈希槽slot，本文第一小節有提及）集群才能上線。

分配槽位的命令如下：

cluster addslots slot [slot ...]

根據預先規劃，這一步需要使用 cluster addslots 命令手動將 16384 個哈希槽大致均等分配給主節點 A、B、C。

/usr/local/bin/redis-cli -p 7001 cluster addslots {0..5461}
/usr/local/bin/redis-cli -p 7002 cluster addslots {5462..10922}
/usr/local/bin/redis-cli -p 7003 cluster addslots {10923..16383}

上面三組命令執行完畢，可以再次查看目前集群的一些運行參數。

[root@localhost ~]# /usr/local/bin/redis-cli -p 7001 cluster info
cluster_state:ok
cluster_slots_assigned:16384
cluster_slots_ok:16384
cluster_slots_pfail:0
cluster_slots_fail:0
cluster_known_nodes:6
cluster_size:3
cluster_current_epoch:5
cluster_my_epoch:4
cluster_stats_messages_ping_sent:11413
cluster_stats_messages_pong_sent:10509
cluster_stats_messages_meet_sent:11
cluster_stats_messages_sent:21933
cluster_stats_messages_ping_received:10509
cluster_stats_messages_pong_received:10535
cluster_stats_messages_received:21044

如上輸出cluster_state:ok證明 Redis 集群成功上線。

主從復制

Redis 集群成功上線，不過還沒有給主節點指定從節點，此時如果有一個節點故障，那么整個集群也就掛了，也就無法實現高可用。

集群中需要使用 cluster replicate 命令手動給從節點配置主節點。

集群復制命令如下：

cluster replicate node-id

集群中各個節點的node-id可以用cluster nodes命令查看，如下輸出1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb即是主節點 B 的node-id。

[root@localhost /]# /usr/local/bin/redis-cli -p 8002 cluster nodes
1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb 127.0.0.1:7002@17002 master - 0 1552220700255 1 connected
ed6fd72e61b747af3705b210c7164bc68739303e 127.0.0.1:8003@18003 master - 0 1552220703281 0 connected
19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8 127.0.0.1:7003@17003 master - 0 1552220700000 2 connected
a8a41694f22977fda78863bdfb3fc03dd1fab1bd 127.0.0.1:8002@18002 myself,master - 0 1552220701000 5 connected
61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12 127.0.0.1:7001@17001 master - 0 1552220702275 4 connected
51987c4b5530c81f2845bb9d521daf6d3dce3659 127.0.0.1:8001@18001 master - 0 1552220701265 3 connected

根據預先規劃，A主D從；B主E從；C主F從。執行如下三組命令分別為從節點 D、E、F 指定其主節點，使群集可以自動完成主從復制。

/usr/local/bin/redis-cli -p 8001 cluster replicate 61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12
/usr/local/bin/redis-cli -p 8002 cluster replicate 1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb
/usr/local/bin/redis-cli -p 8003 cluster replicate 19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8

命令執行成功后，我們便算以手動方式成功搭建了一個 Redis 集群。

最后，再來查看一下集群中的節點信息。

[root@localhost ~]# /usr/local/bin/redis-cli -p 8002 cluster nodes
1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb 127.0.0.1:7002@17002 master - 0 1552233328337 1 connected 5462-10922
ed6fd72e61b747af3705b210c7164bc68739303e 127.0.0.1:8003@18003 slave 19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8 0 1552233327000 2 connected
19147f56e679767bcebb8653262ff7f56ca072a8 127.0.0.1:7003@17003 master - 0 1552233325000 2 connected 10923-16383
a8a41694f22977fda78863bdfb3fc03dd1fab1bd 127.0.0.1:8002@18002 myself,slave 1b4b3741945d7fed472a1324aaaa6acaa1843ccb 0 1552233327000 5 connected
61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12 127.0.0.1:7001@17001 master - 0 1552233327327 4 connected 0-5461
51987c4b5530c81f2845bb9d521daf6d3dce3659 127.0.0.1:8001@18001 slave 61e8c4ed8d1ff2a765a4dd2c3d300d8121d26e12 0 1552233326320 4 connected

自動方式搭建

Redis 3.0 版本之后官方發布了一個集群管理工具 redis-trib.rb，集成在 Redis 源碼包的src目錄下。其封裝了 Redis 提供的集群命令，使用簡單、便捷。

不過 redis-trib.rb 是 Redis 作者使用 Ruby 語言開發的，故使用該工具之前還需要先在機器上安裝 Ruby 環境。后面作者可能意識到這個問題，Redis 5.0 版本開始便把這個工具集成到 redis-cli 中，以--cluster參數提供使用，其中create命令可以用來創建集群。

啟動節點

使用集群管理工具搭建集群之前，也是需要先把各個節點啟動起來的。節點的啟動方式請參見本文「手動方式創建」-「啟動節點」一節，此處不再贅述。

集群管理工具搭建

如果您安裝的 Redis 是 3.x 和 4.x 的版本可以使用 redis-trib.rb 搭建，不過之前需要安裝 Ruby 環境。

先使用 yum 安裝 Ruby 環境以及其他依賴項。

yum -y install ruby ruby-devel rubygems rpm-build

確認安裝版本。

[root@localhost redis-cluster]# ruby -v
ruby 2.0.0p648 (2015-12-16) [x86_64-linux]

再使用 redis-trib.rb 腳本搭建集群，具體命令如下所示。

/usr/local/redis-5.0.3/src/redis-trib.rb create --replicas 1 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:8001 127.0.0.1:8002 127.0.0.1:8003

不過，本文實驗環境使用的 Redis 版本是 5.0.3，所以我可以直接使用redis-cli --cluster create命令搭建，具體命令如下所示。

/usr/local/bin/redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:8001 127.0.0.1:8002 127.0.0.1:8003 --cluster-replicas 1

主節點在前，從節點在后。其中--cluster-replicas參數用來指定一個主節點帶有的從節點個數，如上--cluster-replicas 1即表示 1 個主節點有 1 個從節點。

命令執行成功會有類似如下輸出。

[root@localhost bin]# redis-cli --cluster create 127.0.0.1:7001 127.0.0.1:7002 127.0.0.1:7003 127.0.0.1:8001 127.0.0.1:8002 127.0.0.1:8003 --cluster-replicas 1
>>> Performing hash slots allocation on 6 nodes...
Master[0] -> Slots 0 - 5460
Master[1] -> Slots 5461 - 10922
Master[2] -> Slots 10923 - 16383
Adding replica 127.0.0.1:8001 to 127.0.0.1:7001
Adding replica 127.0.0.1:8002 to 127.0.0.1:7002
Adding replica 127.0.0.1:8003 to 127.0.0.1:7003
>>> Trying to optimize slaves allocation for anti-affinity
[WARNING] Some slaves are in the same host as their master
M: 32f9819fc7d561bfa2b7189182200e86d9901b8a 127.0.0.1:7001
   slots:[0-5460] (5461 slots) master
M: cca0fbfa374bc175d481e68ee9ed13b65453e967 127.0.0.1:7002
   slots:[5461-10922] (5462 slots) master
M: 964cfa1c2dcfe36b6d3c63637f0d57ccb568354e 127.0.0.1:7003
   slots:[10923-16383] (5461 slots) master
S: 1b47b9e6e7a79523579b8d2ddcd5e708583ed317 127.0.0.1:8001
   replicates 32f9819fc7d561bfa2b7189182200e86d9901b8a
S: aba9330f3e70f26a8af4ced1b672fbcc7bc62d78 127.0.0.1:8002
   replicates cca0fbfa374bc175d481e68ee9ed13b65453e967
S: 254db0830cd764e075aa793144572d5fa3a398f0 127.0.0.1:8003
   replicates 964cfa1c2dcfe36b6d3c63637f0d57ccb568354e
Can I set the above configuration? (type 'yes' to accept): yes
>>> Nodes configuration updated
>>> Assign a different config epoch to each node
>>> Sending CLUSTER MEET messages to join the cluster
Waiting for the cluster to join
...
>>> Performing Cluster Check (using node 127.0.0.1:7001)
M: 32f9819fc7d561bfa2b7189182200e86d9901b8a 127.0.0.1:7001
   slots:[0-5460] (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
S: aba9330f3e70f26a8af4ced1b672fbcc7bc62d78 127.0.0.1:8002
   slots: (0 slots) slave
   replicates cca0fbfa374bc175d481e68ee9ed13b65453e967
S: 1b47b9e6e7a79523579b8d2ddcd5e708583ed317 127.0.0.1:8001
   slots: (0 slots) slave
   replicates 32f9819fc7d561bfa2b7189182200e86d9901b8a
S: 254db0830cd764e075aa793144572d5fa3a398f0 127.0.0.1:8003
   slots: (0 slots) slave
   replicates 964cfa1c2dcfe36b6d3c63637f0d57ccb568354e
M: cca0fbfa374bc175d481e68ee9ed13b65453e967 127.0.0.1:7002
   slots:[5461-10922] (5462 slots) master
   1 additional replica(s)
M: 964cfa1c2dcfe36b6d3c63637f0d57ccb568354e 127.0.0.1:7003
   slots:[10923-16383] (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.

OK，搭建完成！一條命令搞定。