19.Redis之集群 - 技术栈

1.集群的基本介绍

集群这个词.
广义的集群,只要你是多个机器,构成了分布式系统, 都可以称为是一个"集群"前面主从结构,哨兵模式,也可以称为是"广义的集群"
狭义的集群,redis 提供的集群模式, 这个集群模式之下,主要是要解决,存储空间不足的问题(拓展存储空间)

哨兵模式提高了系统的可用性

哨兵模式中,本质上还是 redis 主/从节点（内存,256G,512G.上 TB 的服务器也不是没有(贵)）存储数据,其中就要求一个主节点/从节点,就得存储整个数据的"全集

此处关键问题,就是引入多台机器,每台机器存储一部分数据,
设有 1TB 的数据需要存储.
拿两台机器来存,每个机器只需要存 512GB 即可.
拿三台机器来存,每个机器只需要存 300 多 GB 即可,
拿四台机,器来存,每个机器只需要存 256GB.....
随着机器数目的增加,每个机器存储的数据量就减少了
【只要机器的规模足够多,就可以存储任意大小的数据了,(公司的实力)】
【不是说光搞3个机器就够了每个存储数据的机器还需要搭配若于个从节点】

2.如何把数据分成多分？

把数据分成多份,应该怎么分?
是一个分片(sharding).
三种主流的分片方式，

1.哈希求余

借鉴了哈希表的基本思想.
借助 hash 函数,把一个 key 映射到整数,再针对数组的长度
求余,就可以得到一个数组下标.
比如有三个分片,编号 012
此时就可以针对要插入的数据的 key(redis 都是键值对结构的数据)计算 hash 值.(比如,使用 md5)【md5 本身就是一个计算 hash 值的算法针对一个字符串,里面的内容进行一系列的数学变换 =>整数.】再把这个 hash 值余上分片个数,就得到了一个下标,此时就可以把这个数据放到该下标对应的分片中了.
【缺陷】
一旦服务器集群需要扩容,就需要更高的成本了
分片主要目的就是为了能提高存储能力.
分片越多,能存的数据越多,成本也更高,
一般都是先少搞几个分片.(3 个)
但是随着业务逐渐增长,数据变多了~~3 个分片就已经不足以保存了
就需要"扩容"
引入新的分片,N 就改变了
hash(key)% N >=0
当 hash 函数和 key 都不变的情况下,如果 N 改变了整体的分片结果仍然会变!!
如果发现某个数据,在扩容之后,不应该待在当前的分片中了,就需要重新进行分配 (搬运数据)
此处列出的这些值,就可以脑补成 hash(key)假设当前计算完 hash 值之后,得到的数值正好是 100-120
共 20 个数据,只有 3 个数据不需要搬运~~ 搬运了 17 个数据如果是 20 亿个数据呢?? 17 亿数据就要搬运...这就是一个大活了!!
上述级别的扩容,开销极大的,往往是不能直接在生产环境上操作的,只能通过"替换"的方式来实现扩容。
依赖的机器更多了.成本更高,操作步骤非常复杂!!!

2.一致性哈希算法

会导致数据不均匀的问题
此时, 只需要把 0 号分⽚上的部分数据, 搬运给 3 号分⽚即可. 1 号分⽚和 2 号分⽚管理的区间都是不变的.
优点: ⼤⼤降低了扩容时数据搬运的规模, 提⾼了扩容操作的效率.
缺点: 数据分配不均匀 (有的多有的少, 数据倾斜).

3.哈希槽分区算法

【问题1】
Redis 集群是最多有 16384 个分片吗?
每个分片上就只有一个槽位.（此时很难保证数据在各个分片上的均衡性~~）（有的槽位可能是有多个 key，有的槽位可能是没有 key ~）
key 是要先映射到槽位,再映射到分片的
如果每个分片包含的槽位比较多,如果槽位个数相当, 就可以认为是包含的 key 数量相当的:
如果每个分片包含的槽位非常少,槽位个数不一定能直观的反应到 key 的数目
实际上 Redis 的作者建议集群分片数不应该超过(1000.
如果真是1.6w 个分片,整个数据服务器的集群规模就太可怕了
几万台主机构成的集群了.整个集群的可用性是非常堪忧的!!
【问题2】
问题二: 为什么是 16384 个槽位?
心跳包中包含了该节点持有哪些 slots.
需要表示出该节点持有哪些槽位
虽然 8kb 比2kb 也大不了多少, 但是心跳包,周期性通信的.(非常频繁 & 网络带宽
这个值个数上基本够用了.同时占用的硬件资源(网络带宽)又不是很大

3.搭建集群环境

3.1 生成配置文件

基于 docker 在咱们云服务器上搭建出一个 redis 集群出来.
当前阶段,主要是因为咱们只有一个云服务器,搞分布式系统, 就比较麻烦
实际工作中,一般是通过多个主机的方式,来搭建集群的,

第⼀步: 创建⽬录和配置

创建 redis-cluster ⽬录. 内部创建两个⽂件

一定要记得,把之前启动 redis 容器,给停止掉!!

在 linux 上,以 .sh 后缀结尾的文件,称为"shell(脚本）【剧本,也可以称为脚本,】
使用 linux 的时候, 都是通过一些命令来进行操作的.
使用命令操作,就非常适合把命令给写到一个文件中,批量化执行,
同时,还能加入, 条件,循环,函数等机制
因此,就可以基于这些来完成更复杂的工作了
需要创建 11 个 redis 节点.这些 redis 的配置文件内容,大同小异.
此时就可以使用脚本来批量生成.(也可以不使用脚本,手动一个一个改)
generate.sh 内容如下

  for port in $(seq 1 9); \
  do \
  mkdir -p redis${port}/
  touch redis${port}/redis.conf
  cat << EOF > redis${port}/redis.conf
  port 6379
  bind 0.0.0.0
  protected-mode no
  appendonly yes
  cluster-enabled yes
  cluster-config-file nodes.conf
  cluster-node-timeout 5000
  cluster-announce-ip 172.30.0.10${port}
  cluster-announce-port 6379
  cluster-announce-bus-port 16379
  EOF
  done
  # 注意 cluster-announce-ip 的值有变化. 
  for port in $(seq 10 11); \
  do \
  mkdir -p redis${port}/
  touch redis${port}/redis.conf
  cat << EOF > redis${port}/redis.conf
  port 6379
  bind 0.0.0.0
  protected-mode no
  appendonly yes
  cluster-enabled yes
  cluster-config-file nodes.conf
  cluster-node-timeout 5000
  cluster-announce-ip 172.30.0.1${port}
  cluster-announce-port 6379
  cluster-announce-bus-port 16379
  EOF
  done

成功！！！

3.2 创建容器

编写 docker-compose.yml

  version: '3.3'
  networks:
    mynet:
      ipam:
        config:
          - subnet: 172.30.0.0/24
  services:
    redis1:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis1
      restart: always
      volumes:
        - ./redis1/:/etc/redis/
      ports:
        - 6371:6379
        - 16371:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.101
    redis2:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis2
      restart: always
      volumes:
        - ./redis2/:/etc/redis/
      ports:
        - 6372:6379
        - 16372:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.102
    redis3:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis3
      restart: always
      volumes:
        - ./redis3/:/etc/redis/
      ports:
        - 6373:6379
        - 16373:16379
  command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.103
    redis4:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis4
      restart: always
      volumes:
        - ./redis4/:/etc/redis/
      ports:
        - 6374:6379
        - 16374:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.104
    redis5:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis5
      restart: always
      volumes:
        - ./redis5/:/etc/redis/
      ports:
        - 6375:6379
        - 16375:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.105
    redis6:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis6
      restart: always
      volumes:
        - ./redis6/:/etc/redis/
      ports:
        - 6376:6379
        - 16376:16379
  command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.106
    redis7:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis7
      restart: always
      volumes:
        - ./redis7/:/etc/redis/
      ports:
        - 6377:6379
        - 16377:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.107
    redis8:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis8
      restart: always
      volumes:
        - ./redis8/:/etc/redis/
      ports:
        - 6378:6379
        - 16378:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.108
    redis9:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis9
      restart: always
      volumes:
        - ./redis9/:/etc/redis/
      ports:
        - 6379:6379
        - 16379:16379
  command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.109

    redis10:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis10
      restart: always
      volumes:
        - ./redis10/:/etc/redis/
      ports:
        - 6380:6379
        - 16380:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.110
    redis11:
      image: 'redis:5.0.9'
      container_name: redis11
      restart: always
      volumes:
        - ./redis11/:/etc/redis/
      ports:
        - 6381:6379
        - 16381:16379
      command:
        redis-server /etc/redis/redis.conf
      networks:
        mynet:
          ipv4_address: 172.30.0.111

3.3 配置集群关系

1)生成每个 redis 节点的配置文件

2)使用 docker 创建出 11 个 redis 节点, 并且启动容器

3)使用 redis-cli 执行构建集群命令

redis-cli --cluster create 172.30.0.101:6379 172.30.0.102:6379 172.30.0.103:6379 172.30.0.104:6379 172.30.0.105:6379 172.30.0.106:6379 172.30.0.107:6379 172.30.0.108:6379 172.30.0.109:6379 --cluster-replicas 2