Redis进阶 - 高可拓展：分片技术（Redis Cluster）详解

MrJason...大约 34 分钟

Redis进阶 - 高可拓展：分片技术（Redis Cluster）详解

前面两篇文章，主从复制和哨兵机制保障了高可用，就读写分离而言虽然slave节点扩展了主从的读并发能力，但是写能力和存储能力是无法进行扩展，就只能是master节点能够承载的上限。如果面对海量数据那么必然需要构建master（主节点分片)之间的集群，同时必然需要吸收高可用（主从复制和哨兵机制）能力，即每个master分片节点还需要有slave节点，这是分布式系统中典型的纵向扩展（集群的分片技术）的体现；所以在Redis 3.0版本中对应的设计就是Redis Cluster。

1. Redis 集群的设计目标

Redis-cluster是一种服务器Sharding技术，Redis3.0以后版本正式提供支持。Redis Cluster在设计时考虑了什么？我们不妨看下官网的介绍 Redis Cluster Specification

1.1 Redis 集群设计目标

高性能可线性扩展至最多1000节点。集群中没有代理，（集群节点间）使用异步复制，没有归并操作(merge operations on values)

可接受的写入安全:系统尝试(采用best-effort方式)保留所有连接到master节点的client发起的写操作。通常会有一个小的时间窗，时间窗内的已确认写操作可能丢失(即，在发生failover之前的小段时间窗内的写操作可能在failover中丢失)。而在(网络)分区故障下，对少数派master的写入，发生写丢失的时间窗会很大。

可用性：Redis Cluster在以下场景下集群总是可用：大部分master节点可用，并且对少部分不可用的master，每一个master至少有一个当前可用的slave。更进一步，通过使用 replicas migration 技术，当前没有slave的master会从当前拥有多个slave的master接受到一个新slave来确保可用性。

1.2 Redis集群协议中的客户端和服务器角色

Redis Cluster的节点负责维护数据，和获取集群状态，这包括将keys映射到正确的节点。集群节点同样可以自动发现其他节点、检测不工作节点、以及在发现故障发生时晋升slave节点到master

所有集群节点通过由TCP和二进制协议组成的称为 Redis Cluster Bus 的方式来实现集群的节点自动发现、故障节点探测、slave升级为master等任务。每个节点通过cluster bus连接所有其他节点。节点间使用gossip协议进行集群信息传播，以此来实现新节点发现，发送ping包以确认对端工作正常，以及发送cluster消息用来标记特定状态。cluster bus还被用来在集群中创建Pub/Sub消息，以及在接收到用户请求后编排手动failover。

1.3 写安全

Redis Cluster在节点间采用了异步复制，以及 last failover wins 隐含合并功能(implicit merge function)（【译注】不存在合并功能，而是总是认为最近一次failover的节点是最新的）。这意味着最后被选举出的master所包含的数据最终会替代（同一前master下）所有其他备份(replicas/slaves)节点（包含的数据）。当发生分区问题时，总是会有一个时间窗内会发生写入丢失。然而，对连接到多数派master（majority of masters）的client，以及连接到少数派master（mimority of masters）的client，这个时间窗是不同的。

相比较连接到少数master(minority of masters)的client，对连接到多数master(majority of masters)的client发起的写入，Redis cluster会更努力地尝试将其保存。下面的场景将会导致在主分区的master上，已经确认的写入在故障期间发生丢失：

写入请求达到master，但是当master执行完并回复client时，写操作可能还没有通过异步复制传播到它的slave。如果master在写操作抵达slave之前挂了，并且master无法触达(unreachable)的时间足够长而导致了slave节点晋升，那么这个写操作就永远地丢失了。通常很难直接观察到，因为master尝试回复client(写入确认)和传播写操作到slave通常几乎是同时发生。然而，这却是真实世界中的故障方式。（【译注】不考虑返回后宕机的场景，因为宕机导致的写入丢失，在单机版redis上同样存在，这不是redis cluster引入的目的及要解决的问题）

另一种理论上可能发生写入丢失的模式是：

master因为分区原因不可用（unreachable）
该master被某个slave替换(failover)
一段时间后，该master重新可用
在该old master变为slave之前，一个client通过过期的路由表对该节点进行写入。

上述第二种失败场景通常难以发生，因为：

少数派master(minority master)无法与多数派master(majority master)通信达到一定的时间后，它将拒绝写入，并且当分区恢复后，该master在重新与多数派master建立连接后，还将保持拒绝写入状态一小段时间来感知集群配置变化。留给client可写入的时间窗很小。
发生这种错误还有一个前提是，client一直都在使用过期的路由表（而实际上集群因为发生了failover，已有slave发生了晋升）。

写入少数派master(minority side of a partition)会有一个更长的时间窗会导致数据丢失。因为如果最终导致了failover，则写入少数派master的数据将会被多数派一侧(majority side)覆盖（在少数派master作为slave重新接入集群后）。

特别地，如果要发生failover，master必须至少在NODE_TIMEOUT时间内无法被多数masters(majority of maters)连接，因此如果分区在这一时间内被修复，则不会发生写入丢失。当分区持续时间超过NODE_TIMEOUT时，所有在这段时间内对少数派master(minority side)的写入将会丢失。然而少数派一侧(minority side)将会在NODE_TIMEOUT时间之后如果还没有连上多数派一侧，则它会立即开始拒绝写入，因此对少数派master而言，存在一个进入不可用状态的最大时间窗。在这一时间窗之外，不会再有写入被接受或丢失。

1.4 可用性(Availability)

Redis Cluster在少数派分区侧不可用。在多数派分区侧，假设由多数派masters存在并且不可达的master有一个slave，cluster将会在NODE_TIMEOUT外加重新选举所需的一小段时间(通常1～2秒)后恢复可用。

这意味着，Redis Cluster被设计为可以忍受一小部分节点的故障，但是如果需要在大网络分裂(network splits)事件中(【译注】比如发生多分区故障导致网络被分割成多块，且不存在多数派master分区)保持可用性，它不是一个合适的方案(【译注】比如，不要尝试在多机房间部署redis cluster，这不是redis cluster该做的事)。

假设一个cluster由N个master节点组成并且每个节点仅拥有一个slave，在多数侧只有一个节点出现分区问题时，cluster的多数侧(majority side)可以保持可用，而当有两个节点出现分区故障时，只有 1-(1/(N2-1)) 的可能性保持集群可用。也就是说，如果有一个由5个master和5个slave组成的cluster，那么当两个节点出现分区故障时，它有 1/(52-1)=11.11%的可能性发生集群不可用。

Redis cluster提供了一种成为 Replicas Migration 的有用特性，它通过自动转移备份节点到孤master节点，在真实世界的常见场景中提升了cluster的可用性。在每次成功的failover之后，cluster会自动重新配置slave分布以尽可能保证在下一次failure中拥有更好的抵御力

1.5 性能(Performance)

Redis Cluster不会将命令路由到其中的key所在的节点，而是向client发一个重定向命令 (- MOVED) 引导client到正确的节点。最终client会获得一个最新的cluster(hash slots分布)展示，以及哪个节点服务于命令中的keys，因此clients就可以获得正确的节点并用来继续执行命令。

因为master和slave之间使用异步复制，节点不需要等待其他节点对写入的确认（除非使用了WAIT命令）就可以回复client。同样，因为multi-key命令被限制在了临近的key(near keys)(【译注】即同一hash slot内的key，或者从实际使用场景来说，更多的是通过hash tag定义为具备相同hash字段的有相近业务含义的一组keys)，所以除非触发resharding，数据永远不会在节点间移动。

普通的命令(normal operations)会像在单个redis实例那样被执行。这意味着一个拥有N个master节点的Redis Cluster，你可以认为它拥有N倍的单个Redis性能。同时，query通常都在一个round trip中执行，因为client通常会保留与所有节点的持久化连接（连接池），因此延迟也与客户端操作单台redis实例没有区别。

在对数据安全性、可用性方面提供了合理的弱保证的前提下，提供极高的性能和可扩展性，这是Redis Cluster的主要目标。

1.6 避免合并(merge)操作

Redis Cluster设计上避免了在多个拥有相同key-value对的节点上的版本冲突（及合并/merge），因为在redis数据模型下这是不需要的。Redis的值同时都非常大；一个拥有数百万元素的list或sorted set是很常见的。同样，数据类型的语义也很复杂。传输和合并这类值将会产生明显的瓶颈，并可能需要对应用侧的逻辑做明显的修改，比如需要更多的内存来保存meta-data等。

这里(【译注】刻意避免了merge)并没有严格的技术限制。CRDTs或同步复制状态机可以塑造与redis类似的复杂的数据类型。然而，这类系统运行时的行为与Redis Cluster其实是不一样的。Redis Cluster被设计用来支持非集群redis版本无法支持的一些额外的场景。

2. 主要模块介绍

Redis Cluster Specification同时还介绍了Redis Cluster中主要模块，这里面包含了很多基础和概念，我们需要先了解下。

2.1 哈希槽(Hash Slot)

Redis-cluster没有使用一致性hash，而是引入了哈希槽的概念。Redis-cluster中有16384(即2的14次方）个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16383取模来决定放置哪个槽。Cluster中的每个节点负责一部分hash槽（hash slot）。

比如集群中存在三个节点，则可能存在的一种分配如下：

节点A包含0到5500号哈希槽；
节点B包含5501到11000号哈希槽；
节点C包含11001 到 16384号哈希槽。

2.2 Keys hash tags

Hash tags提供了一种途径，用来将多个(相关的)key分配到相同的hash slot中。这时Redis Cluster中实现multi-key操作的基础。

hash tag规则如下，如果满足如下规则，{和}之间的字符将用来计算HASH_SLOT，以保证这样的key保存在同一个slot中。

key包含一个{字符
并且如果在这个{的右面有一个}字符
并且如果在{和}之间存在至少一个字符

例如：

{user1000}.following和{user1000}.followers这两个key会被hash到相同的hash slot中，因为只有user1000会被用来计算hash slot值。
foo{}{bar}这个key不会启用hash tag因为第一个{和}之间没有字符。
foozap这个key中的{bar部分会被用来计算hash slot
foo{bar}{zap}这个key中的bar会被用来计算计算hash slot，而zap不会

2.3 Cluster nodes属性

每个节点在cluster中有一个唯一的名字。这个名字由160bit随机十六进制数字表示，并在节点启动时第一次获得(通常通过/dev/urandom)。节点在配置文件中保留它的ID，并永远地使用这个ID，直到被管理员使用CLUSTER RESET HARD命令hard reset这个节点。

节点ID被用来在整个cluster中标识每个节点。一个节点可以修改自己的IP地址而不需要修改自己的ID。Cluster可以检测到IP /port的改动并通过运行在cluster bus上的gossip协议重新配置该节点。

节点ID不是唯一与节点绑定的信息，但是他是唯一的一个总是保持全局一致的字段。每个节点都拥有一系列相关的信息。一些信息时关于本节点在集群中配置细节，并最终在cluster内部保持一致的。而其他信息，比如节点最后被ping的时间，是节点的本地信息。

每个节点维护着集群内其他节点的以下信息：node id, 节点的IP和port，节点标签，master node id（如果这是一个slave节点），最后被挂起的ping的发送时间(如果没有挂起的ping则为0)，最后一次收到pong的时间，当前的节点configuration epoch ，链接状态，以及最后是该节点服务的hash slots。

对节点字段更详细的描述，可以参考对命令 CLUSTER NODES的描述。

CLUSTER NODES命令可以被发送到集群内的任意节点，他会提供基于该节点视角(view)下的集群状态以及每个节点的信息。

下面是一个发送到一个拥有3个节点的小集群的master节点的CLUSTER NODES输出的例子。

$ redis-cli cluster nodes

d1861060fe6a534d42d8a19aeb36600e18785e04 127.0.0.1:6379 myself - 0 1318428930 1 connected 0-1364
3886e65cc906bfd9b1f7e7bde468726a052d1dae 127.0.0.1:6380 master - 1318428930 1318428931 2 connected 1365-2729
d289c575dcbc4bdd2931585fd4339089e461a27d 127.0.0.1:6381 master - 1318428931 1318428931 3 connected 2730-4095

在上面的例子中，按顺序列出了不同的字段：

node id, address:port, flags, last ping sent, last pong received, configuration epoch, link state, slots.

2.4 Cluster总线

每个Redis Cluster节点有一个额外的TCP端口用来接受其他节点的连接。这个端口与用来接收client命令的普通TCP端口有一个固定的offset。该端口等于普通命令端口加上10000.例如，一个Redis街道口在端口6379建立客户端连接，那么它的集群总线端口16379也会被打开。

节点到节点的通讯只使用集群总线，同时使用集群总线协议：有不同的类型和大小的帧组成的二进制协议。集群总线的二进制协议没有被公开文档话，因为他不希望被外部软件设备用来预计群节点进行对话。

2.5 集群拓扑

Redis Cluster是一张全网拓扑，节点与其他每个节点之间都保持着TCP连接。在一个拥有N个节点的集群中，每个节点由N-1个TCP传出连接，和N-1个TCP传入连接。这些TCP连接总是保持活性(be kept alive)。当一个节点在集群总线上发送了ping请求并期待对方回复pong，（如果没有得到回复）在等待足够成时间以便将对方标记为不可达之前，它将先尝试重新连接对方以刷新与对方的连接。而在全网拓扑中的Redis Cluster节点，节点使用gossip协议和配置更新机制来避免在正常情况下节点之间交换过多的消息，因此集群内交换的消息数目(相对节点数目)不是指数级的。

2.6 节点握手

节点总是接受集群总线端口的链接，并且总是会回复ping请求，即使ping来自一个不可信节点。然而，如果发送节点被认为不是当前集群的一部分，所有其他包将被抛弃。

节点认定其他节点是当前集群的一部分有两种方式：

如果一个节点出现在了一条MEET消息中。一条meet消息非常像一个PING消息，但是它会强制接收者接受一个节点作为集群的一部分。节点只有在接收到系统管理员的如下命令后，才会向其他节点发送MEET消息：
```
CLUSTER MEET ip port
```
如果一个被信任的节点gossip了某个节点，那么接收到gossip消息的节点也会那个节点标记为集群的一部分。也就是说，如果在集群中，A知道B，而B知道C，最终B会发送gossip消息到A，告诉A节点C是集群的一部分。这时，A会把C注册未网络的一部分，并尝试与C建立连接。

这意味着，一旦我们把某个节点加入了连接图(connected graph)，它们最终会自动形成一张全连接图(fully connected graph)。这意味着只要系统管理员强制加入了一条信任关系（在某个节点上通过meet命令加入了一个新节点），集群可以自动发现其他节点。

3. 请求重定向

Redis cluster采用去中心化的架构，集群的主节点各自负责一部分槽，客户端如何确定key到底会映射到哪个节点上呢？这就是我们要讲的请求重定向。

在cluster模式下，节点对请求的处理过程如下：

检查当前key是否存在当前NODE？
- 通过crc16（key）/16384计算出slot
- 查询负责该slot负责的节点，得到节点指针
- 该指针与自身节点比较
若slot不是由自身负责，则返回MOVED重定向
若slot由自身负责，且key在slot中，则返回该key对应结果
若key不存在此slot中，检查该slot是否正在迁出（MIGRATING）？
若key正在迁出，返回ASK错误重定向客户端到迁移的目的服务器上
若Slot未迁出，检查Slot是否导入中？
若Slot导入中且有ASKING标记，则直接操作
否则返回MOVED重定向

这个过程中有两点需要具体理解下： MOVED重定向 和 ASK重定向。

3.1 Moved 重定向

槽命中：直接返回结果
槽不命中：即当前键命令所请求的键不在当前请求的节点中，则当前节点会向客户端发送一个Moved 重定向，客户端根据Moved 重定向所包含的内容找到目标节点，再一次发送命令。

从下面可以看出 php 的槽位9244不在当前节点中，所以会重定向到节点 192.168.2.23:7001中。redis-cli会帮你自动重定向（如果没有集群方式启动，即没加参数 -c，redis-cli不会自动重定向），并且编写程序时，寻找目标节点的逻辑需要交予程序员手动完成。

cluster keyslot keyName # 得到keyName的槽

3.2 ASK 重定向

Ask重定向发生于集群伸缩时，集群伸缩会导致槽迁移，当我们去源节点访问时，此时数据已经可能已经迁移到了目标节点，使用Ask重定向来解决此种情况。

3.3 smart客户端

上述两种重定向的机制使得客户端的实现更加复杂，提供了smart客户端（JedisCluster）来减低复杂性，追求更好的性能。客户端内部负责计算/维护键-> 槽 -> 节点映射，用于快速定位目标节点。

实现原理：

从集群中选取一个可运行节点，使用 cluster slots得到槽和节点的映射关系

将上述映射关系存到本地，通过映射关系就可以直接对目标节点进行操作（CRC16(key) -> slot -> node），很好地避免了Moved重定向，并为每个节点创建JedisPool
至此就可以用来进行命令操作

4. 状态检测及维护

Redis Cluster中节点状态如何维护呢？这里便涉及 有哪些状态，底层协议Gossip，及具体的通讯（心跳）机制。

Cluster中的每个节点都维护一份在自己看来当前整个集群的状态，主要包括：

当前集群状态
集群中各节点所负责的slots信息，及其migrate状态
集群中各节点的master-slave状态
集群中各节点的存活状态及不可达投票

当集群状态变化时，如新节点加入、slot迁移、节点宕机、slave提升为新Master，我们希望这些变化尽快的被发现，传播到整个集群的所有节点并达成一致。节点之间相互的心跳（PING，PONG，MEET）及其携带的数据是集群状态传播最主要的途径。

4.1 Gossip协议

Redis Cluster 通讯底层是Gossip协议，所以需要对Gossip协议有一定的了解。

gossip 协议（gossip protocol）又称 epidemic 协议（epidemic protocol），是基于流行病传播方式的节点或者进程之间信息交换的协议。在分布式系统中被广泛使用，比如我们可以使用 gossip 协议来确保网络中所有节点的数据一样。

Gossip协议已经是P2P网络中比较成熟的协议了。Gossip协议的最大的好处是，即使集群节点的数量增加，每个节点的负载也不会增加很多，几乎是恒定的。这就允许Consul管理的集群规模能横向扩展到数千个节点。

Gossip算法又被称为反熵（Anti-Entropy），熵是物理学上的一个概念，代表杂乱无章，而反熵就是在杂乱无章中寻求一致，这充分说明了Gossip的特点：在一个有界网络中，每个节点都随机地与其他节点通信，经过一番杂乱无章的通信，最终所有节点的状态都会达成一致。每个节点可能知道所有其他节点，也可能仅知道几个邻居节点，只要这些节可以通过网络连通，最终他们的状态都是一致的，当然这也是疫情传播的特点。https://www.backendcloud.cn/2017/11/12/raft-gossip/

上面的描述都比较学术，其实Gossip协议对于我们吃瓜群众来说一点也不陌生，Gossip协议也称为流言协议，说白了就是八卦协议，这种传播规模和传播速度都是非常快的，你可以体会一下。所以计算机中的很多算法都是源自生活，而又高于生活的。

4.1.1 Gossip协议的使用

Redis 集群是去中心化的，彼此之间状态同步靠 gossip 协议通信，集群的消息有以下几种类型：

Meet 通过「cluster meet ip port」命令，已有集群的节点会向新的节点发送邀请，加入现有集群。
Ping 节点每秒会向集群中其他节点发送 ping 消息，消息中带有自己已知的两个节点的地址、槽、状态信息、最后一次通信时间等。
Pong 节点收到 ping 消息后会回复 pong 消息，消息中同样带有自己已知的两个节点信息。
Fail 节点 ping 不通某节点后，会向集群所有节点广播该节点挂掉的消息。其他节点收到消息后标记已下线。

4.1.2 基于Gossip协议的故障检测

集群中的每个节点都会定期地向集群中的其他节点发送PING消息，以此交换各个节点状态信息，检测各个节点状态：在线状态、疑似下线状态PFAIL、已下线状态FAIL。

自己保存信息：当主节点A通过消息得知主节点B认为主节点D进入了疑似下线(PFAIL)状态时,主节点A会在自己的clusterState.nodes字典中找到主节点D所对应的clusterNode结构，并将主节点B的下线报告添加到clusterNode结构的fail_reports链表中，并后续关于结点D疑似下线的状态通过Gossip协议通知其他节点。

一起裁定：如果集群里面，半数以上的主节点都将主节点D报告为疑似下线，那么主节点D将被标记为已下线(FAIL)状态，将主节点D标记为已下线的节点会向集群广播主节点D的FAIL消息，所有收到FAIL消息的节点都会立即更新nodes里面主节点D状态标记为已下线。

最终裁定：将 node 标记为 FAIL 需要满足以下两个条件：

有半数以上的主节点将 node 标记为 PFAIL 状态。
当前节点也将 node 标记为 PFAIL 状态。

4.2 通讯状态和维护

我们理解了Gossip协议基础后，就可以进一步理解Redis节点之间相互的通讯心跳（PING，PONG，MEET）实现和维护了。我们通过几个问题来具体理解。

4.2.1 什么时候进行心跳？

Redis节点会记录其向每一个节点上一次发出ping和收到pong的时间，心跳发送时机与这两个值有关。通过下面的方式既能保证及时更新集群状态，又不至于使心跳数过多：

每次Cron向所有未建立链接的节点发送ping或meet
每1秒从所有已知节点中随机选取5个，向其中上次收到pong最久远的一个发送ping
每次Cron向收到pong超过timeout/2的节点发送ping
收到ping或meet，立即回复pong

4.2.2 发送哪些心跳数据？

Header，发送者自己的信息
- 所负责slots的信息
- 主从信息
- ip port信息
- 状态信息
Gossip，发送者所了解的部分其他节点的信息
- ping_sent, pong_received
- ip, port信息
- 状态信息，比如发送者认为该节点已经不可达，会在状态信息中标记其为PFAIL或FAIL

4.2.3 如何处理心跳？

1，新节点加入

发送meet包加入集群
从pong包中的gossip得到未知的其他节点
循环上述过程，直到最终加入集群

2，Slots信息

判断发送者声明的slots信息，跟本地记录的是否有不同
如果不同，且发送者epoch较大，更新本地记录
如果不同，且发送者epoch小，发送Update信息通知发送者

3，Master slave信息

发现发送者的master、slave信息变化，更新本地状态

4，节点Fail探测(故障发现)

超过超时时间仍然没有收到pong包的节点会被当前节点标记为PFAIL
PFAIL标记会随着gossip传播
每次收到心跳包会检测其中对其他节点的PFAIL标记，当做对该节点FAIL的投票维护在本机
对某个节点的PFAIL标记达到大多数时，将其变为FAIL标记并广播FAIL消息

注：Gossip的存在使得集群状态的改变可以更快的达到整个集群。每个心跳包中会包含多个Gossip包，那么多少个才是合适的呢，redis的选择是N/10，其中N是节点数，这样可以保证在PFAIL投票的过期时间内，节点可以收到80%机器关于失败节点的gossip，从而使其顺利进入FAIL状态。

4.2.4 将信息广播给其它节点？

当需要发布一些非常重要需要立即送达的信息时，上述心跳加Gossip的方式就显得捉襟见肘了，这时就需要向所有集群内机器的广播信息，使用广播发的场景：

节点的Fail信息：当发现某一节点不可达时，探测节点会将其标记为PFAIL状态，并通过心跳传播出去。当某一节点发现这个节点的PFAIL超过半数时修改其为FAIL并发起广播。
Failover Request信息：slave尝试发起FailOver时广播其要求投票的信息
新Master信息：Failover成功的节点向整个集群广播自己的信息

5. 故障恢复（Failover）

master节点挂了之后，如何进行故障恢复呢？

当slave发现自己的master变为FAIL状态时，便尝试进行Failover，以期成为新的master。由于挂掉的master可能会有多个slave。Failover的过程需要经过类Raft协议的过程在整个集群内达到一致，其过程如下：

slave发现自己的master变为FAIL
将自己记录的集群currentEpoch加1，并广播Failover Request信息
其他节点收到该信息，只有master响应，判断请求者的合法性，并发送FAILOVER_AUTH_ACK，对每一个epoch只发送一次ack
尝试failover的slave收集FAILOVER_AUTH_ACK
超过半数后变成新Master
广播Pong通知其他集群节点

6. 扩容&缩容

Redis Cluster是如何进行扩容和缩容的呢？

6.1 扩容

当集群出现容量限制或者其他一些原因需要扩容时

redis cluster可以实现对节点的灵活上下线控制
3个主节点分别维护自己负责的槽和对应的数据，如果希望加入一个节点实现扩容，就需要把一部分槽和数据迁移到新节点

每个master把一部分槽和数据迁移到新的节点node04

6.1.1 新节点加入集群

首先将新节点加入到集群中，
集群中任何一个客户端执行cluster meet 新节点ip:端口，
通过redis-trib add node添加，新添加的节点默认在集群中都是主节点。

6.1.1 方式一：cluster meet

在原有集群任意节点内执行以下命令

root@node01 opt]# redis-cli -c -h 10.0.0.100 -p 6380
10.0.0.100:6380> cluster meet 10.0.0.103 6379
OK
10.0.0.100:6380> cluster meet 10.0.0.103 6380
OK

集群内新旧节点经过一段时间的通信之后，所有节点会更新它们的状态并保存到本地

10.0.0.100:6380> cluster nodes
# 可以看到新加入两个服务(10.0.0.103:6379/10.0.0.103:6380)都是master，它们还没有管理slot
4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 10.0.0.101:6380@16380 master - 0 1585048391000 7 connected 0-5460
690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 10.0.0.102:6379@16379 master - 0 1585048389000 3 connected 10923-16383
1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 10.0.0.101:6379@16379 master - 0 1585048392055 2 connected 5461-10922
724a8a15f4efe5a01454cb971d7471d6e84279f3 10.0.0.103:6379@16379 master - 0 1585048388000 8 connected
ed9b72fffd04b8a7e5ad20afdaf1f53e0eb95011 10.0.0.103:6380@16380 master - 0 1585048391046 0 connected
89f52bfbb8803db19ab0c5a90adc4099df8287f7 10.0.0.100:6379@16379 slave 4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 0 1585048388000 7 connected
86e1881611440012c87fbf3fa98b7b6d79915e25 10.0.0.102:6380@16380 slave 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 0 1585048389033 6 connected
8c13a2afa76194ef9582bb06675695bfef76b11d 10.0.0.100:6380@16380 myself,slave 690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 0 1585048390000 4 connected

新节点刚开始都是master节点，但是由于没有负责的槽，所以不能接收任何读写操作，对新节点的后续操作，一般有两种选择：

从其他的节点迁移槽和数据给新节点
作为其他节点的slave负责故障转移

1.1.2 方式二：redis-trib add node添加 ()

redis-trib.rb工具也实现了为现有集群添加新节点的命令，同时也实现了直接添加为slave的支持：

# 新节点加入集群
redis-trib.rb add-node new_host:new_port old_host:old_port
# 新节点加入集群并作为指定master的slave
redis-trib.rb add-node new_host:new_port old_host:old_port --slave --master-id <master-id>

建议使用redis-trib.rb add-node将新节点添加到集群中，该命令会检查新节点的状态，如果新节点已经加入了其他集群或者已经包含数据，则会报错，而使用cluster meet命令则不会做这样的检查，假如新节点已经存在数据，则会合并到集群中，造成数据不一致

6.1.2 迁移slot和数据

无需要求每个master的slot编号是连续的，只要每个master管理的slot的数量均衡就可以。

slot迁移是集群伸缩的最核心步骤
假设原有3个master，每个master负责10384 / 3 ≈ 5461个slot
加入一个新的master之后，每个master负责10384 / 4 = 4096个slot
确定好迁移计划之后，例如，每个master将超过4096个slot的部分迁移到新的master中，然后开始以slot为单位进行迁移
每个slot的迁移过程如下所示：

对目标节点发送导入命令，让目标节点准备导入槽的数据。
对源节点发送导出命令，让源节点准备迁出槽的数据。
源节点循环执行迁移命令，将槽跟数据迁移到目标节点。
向集群广播槽已经迁移到B节点

6.1.2.1 redis-trib.rb工具完成slot迁移

redis-trib.rb reshard host:port --from <arg> --to <arg> --slots <arg> --yes --timeout <arg> --pipeline <arg>
 
host:port：随便指定一个集群中的host:port，用以获取全部集群的信息
--from：源节点的id，提示用户输入
--to：目标节点的id，提示用户输入
--slots：需要迁移的slot的总数量，提示用户输入
--yes：当打印出slot迁移计划后是否需要用户输入yes确认后执行
--timeout：控制每次migrate操作的超时时间，默认60000ms
--pipeline：控制每次批量迁移的key的数量，默认10
 
[root@node01 redis]# redis-trib.rb reshard 10.0.0.100:6379
 
>>> Performing Cluster Check (using node 10.0.0.100:6379)
S: 89f52bfbb8803db19ab0c5a90adc4099df8287f7 10.0.0.100:6379
   slots: (0 slots) slave
   replicates 4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89
S: 8c13a2afa76194ef9582bb06675695bfef76b11d 10.0.0.100:6380
   slots: (0 slots) slave
   replicates 690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565
M: 690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 10.0.0.102:6379
   slots:10923-16383 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
M: 4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 10.0.0.101:6380
   slots:0-5460 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
M: ed9b72fffd04b8a7e5ad20afdaf1f53e0eb95011 10.0.0.103:6380
   slots: (0 slots) master
   0 additional replica(s)
S: 86e1881611440012c87fbf3fa98b7b6d79915e25 10.0.0.102:6380
   slots: (0 slots) slave
   replicates 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8
M: 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 10.0.0.101:6379
   slots:5461-10922 (5462 slots) master
   1 additional replica(s)
M: 724a8a15f4efe5a01454cb971d7471d6e84279f3 10.0.0.103:6379
   slots: (0 slots) master
   0 additional replica(s)
[OK] All nodes agree about slots configuration.
>>> Check for open slots...
>>> Check slots coverage...
[OK] All 16384 slots covered.
# 要迁移多少个slot？
How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? 4096
# 迁移到那个master？
What is the receiving node ID? 724a8a15f4efe5a01454cb971d7471d6e84279f3
Please enter all the source node IDs.
  Type 'all' to use all the nodes as source nodes for the hash slots.
  Type 'done' once you entered all the source nodes IDs.
# 从哪里迁移？
Source node #1:4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89
Source node #2:690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565
Source node #3:1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8
Source node #4:done
 
Ready to move 4096 slots.
  Source nodes:
    M: 4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 10.0.0.101:6380
   slots:0-5460 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
    M: 690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 10.0.0.102:6379
   slots:10923-16383 (5461 slots) master
   1 additional replica(s)
    M: 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 10.0.0.101:6379
   slots:5461-10922 (5462 slots) master
   1 additional replica(s)
  Destination node:
    M: 724a8a15f4efe5a01454cb971d7471d6e84279f3 10.0.0.103:6379
   slots: (0 slots) master
   0 additional replica(s)
  Resharding plan:
    Moving slot 5461 from 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8
    Moving slot 5462 from 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8
    Moving slot 5463 from 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8
    ......
  
10.0.0.100:6380> cluster nodes
1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 10.0.0.101:6379@16379 master - 0 1585053959158 2 connected 6827-10922
# 可以看到新加入的一个节点已经分配到了slot
724a8a15f4efe5a01454cb971d7471d6e84279f3 10.0.0.103:6379@16379 master - 0 1585053957000 8 connected 0-1364 5461-6826 10923-12287
4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 10.0.0.101:6380@16380 master - 0 1585053960166 7 connected 1365-5460
ed9b72fffd04b8a7e5ad20afdaf1f53e0eb95011 10.0.0.103:6380@16380 master - 0 1585053957000 0 connected
690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 10.0.0.102:6379@16379 master - 0 1585053959000 3 connected 12288-16383
89f52bfbb8803db19ab0c5a90adc4099df8287f7 10.0.0.100:6379@16379 slave 4fb4c538d5f29255f6212f2eae8a761fbe364a89 0 1585053958149 7 connected
86e1881611440012c87fbf3fa98b7b6d79915e25 10.0.0.102:6380@16380 slave 1be5d1aaaa9e9542224554f461694da9cba7c2b8 0 1585053958000 6 connected
8c13a2afa76194ef9582bb06675695bfef76b11d 10.0.0.100:6380@16380 myself,slave 690b2e1f604a0227068388d3e5b1f1940524c565 0 1585053954000 4 connected

6.2 缩容

需要判断下线的节点是否是主节点，以及主节点上是否有槽
- 如果下线的是master，那么将此master的slot迁移到其他master之后，通知其他节点忘记此master节点
- 如果下线的是slave，那么通知其他节点忘记下线的节点
其他节点都忘记了下线的节点之后，此节点就可以正常停止服务了

最后需要将该下线主节点的从节点指向其他主节点，当然最好是先将从节点下线。

7. 更深入理解

通过几个例子，再深入理解Redis Cluster

7.1 为什么Redis Cluster的Hash Slot 是16384？

我们知道一致性hash算法是2的16次方，为什么hash slot是2的14次方呢？

如果槽位为65536，发送心跳信息的消息头达8k，发送的心跳包过于庞大。
如上所述，在消息头中，最占空间的是myslots[CLUSTER_SLOTS/8]。当槽位为65536时，这块的大小是: 65536÷8÷1024=8kb 因为每秒钟，redis节点需要发送一定数量的ping消息作为心跳包，如果槽位为65536，这个ping消息的消息头太大了，浪费带宽。
redis的集群主节点数量基本不可能超过1000个。
如上所述，集群节点越多，心跳包的消息体内携带的数据越多。如果节点过1000个，也会导致网络拥堵。因此redis作者，不建议redis cluster节点数量超过1000个。那么，对于节点数在1000以内的redis cluster集群，16384个槽位够用了。没有必要拓展到65536个。
槽位越小，节点少的情况下，压缩比高
Redis主节点的配置信息中，它所负责的哈希槽是通过一张bitmap的形式来保存的，在传输过程中，会对bitmap进行压缩，但是如果bitmap的填充率slots / N很高的话(N表示节点数)，bitmap的压缩率就很低。如果节点数很少，而哈希槽数量很多的话，bitmap的压缩率就很低。

7.2 为什么Redis Cluster中不建议使用发布订阅呢？

在集群模式下，所有的publish命令都会向所有节点（包括从节点）进行广播，造成每条publish数据都会在集群内所有节点传播一次，加重了带宽负担，对于在有大量节点的集群中频繁使用pub，会严重消耗带宽，不建议使用。（虽然官网上讲有时候可以使用Bloom过滤器或其他算法进行优化的）

8. 其它常见方案

还有一些方案出现在历史舞台上，我挑了几个经典的。简单了解下，增强下关联的知识体系。

8.1 Redis Sentinel 集群 + Keepalived/Haproxy

底层是 Redis Sentinel 集群，代理着 Redis 主从，Web 端通过 VIP 提供服务。当主节点发生故障，比如机器故障、Redis 节点故障或者网络不可达，Redis 之间的切换通过 Redis Sentinel 内部机制保障，VIP 切换通过 Keepalived 保障。

优点：

秒级切换
对应用透明

缺点：

维护成本高
存在脑裂
Sentinel 模式存在短时间的服务不可用

8.2 Twemproxy

多个同构 Twemproxy（配置相同）同时工作，接受客户端的请求，根据 hash 算法，转发给对应的 Redis。

Twemproxy 方案比较成熟了，但是效果并不是很理想。一方面是定位问题比较困难，另一方面是它对自动剔除节点的支持不是很友好。

优点：

开发简单，对应用几乎透明
历史悠久，方案成熟

缺点：

代理影响性能
LVS 和 Twemproxy 会有节点性能瓶颈
Redis 扩容非常麻烦
Twitter 内部已放弃使用该方案，新使用的架构未开源

8.3 Codis

Codis 是由豌豆荚开源的产品，涉及组件众多，其中 ZooKeeper 存放路由表和代理节点元数据、分发 Codis-Config 的命令；Codis-Config 是集成管理工具，有 Web 界面供使用；Codis-Proxy 是一个兼容 Redis 协议的无状态代理；Codis-Redis 基于 Redis 2.8 版本二次开发，加入 slot 支持，方便迁移数据。