Redis Cluster 實現

本文將從設計思路，功能實現，原始碼幾個方面介紹Redis Cluster。假設讀者已經瞭解Redis Cluster的使用方式。

簡介

Redis Cluster作為Redis的分散式實現，主要做了兩個方面的事情：

1，資料分片

• Redis Cluster將資料按key雜湊到16384個slot上
• Cluster中的不同節點負責一部分slot

2，故障恢復

• Cluster中直接提供服務的節點為Master
• 每個Master可以有一個或多個Slave
• 當Master不能提供服務時，Slave會自動Failover

設計思路

效能為第一目標

• 每一次資料處理都是由負責當前slot的Master直接處理的，沒有額外的網路開銷

提高可用性

• 水平擴充套件能力 ：由於slot的存在，增加機器節點時只需要將之前由其他節點處理的一部分slot重新分配給新增節點。slot可以看做機器節點和使用者資料之間的一個抽象層。
• 故障恢復：Slave會在需要的時候自動提升為Master

損失一致性

• Master與Slave之之間非同步複製，即Master先向使用者返回結果後再非同步將資料同步給Slave，這就導致Master宕機後一部分已經返回使用者的資料在新Master上不存在
• 網路分割槽時，由於開始Failover前的超時時間，會有一部分資料繼續寫到馬上要失效的Master上

功能實現

1，資料分片

我們已經知道資料會按照key雜湊到不同的slot，而每個節點僅負責一部分的slot，客戶端根據slot將請求交給不同的節點。將slots劃分給不同節點的過程稱為資料分片，對應的還可以進行分片的重新分配。這部分功能依賴外部呼叫命令：

分片

• 對每個叢集執行CLUSTER ADDSLOTS slot [slot ...]
• RedisCluster將命令指定的slots作為自己負責的部分

再分配

再分配要做的是將一些slots從當前節點(source)遷移到其他節點(target)

• 對target執行CLUSTER SETSLOT slot IMPORTING [node-id]，target節點將對應slots記為importing狀態；
• 對source執行CLUSTER SETSLOT MIGRATING[node-id]，source節點將對應slots記為migrating狀態，與importing狀態一同在之後的請求重定向中使用
• 獲取所有要遷移slot對應的keys，CLUSTER GETKEYSINSLOT slot count
• 對source 執行MIGRATE host port key db timeout REPLACE [KEYS key [key ...]]
• MIGRATE命令會將所有的指定的key通過RESTORE key ttl serialized-value REPLACE遷移給target
• 對所有節點執行CLUSTER SETSLOT slot NODE [node-id]，申明target對這些slots的負責，並退出importing或migrating

2，請求重定向

由於每個節點只負責部分slot，以及slot可能從一個節點遷移到另一節點，造成客戶端有可能會向錯誤的節點發起請求。因此需要有一種機制來對其進行發現和修正，這就是請求重定向。有兩種不同的重定向場景：

1)，MOVE

• ‘我’並不負責‘你’要的key，告訴’你‘正確的吧。
• 返回CLUSTER_REDIR_MOVED錯誤，和正確的節點。
• 客戶端向該節點重新發起請求，注意這次依然又發生重定向的可能。

2），ASK

• ‘我’負責請求的key，但不巧的這個key當前在migraging狀態，且‘我’這裡已經取不到了。告訴‘你’importing他的‘傢伙’吧，去碰碰運氣。
• 返回CLUSTER_REDIR_ASK，和importing該key的節點。
• 客戶端向新節點發送ASKING，之後再次發起請求
• 新節點對傳送過ASKING，且key已經migrate過來的請求進行響應

3），區別

區分這兩種重定向的場景是非常有必要的：

• MOVE，申明的是slot所有權的轉移，收到的客戶端需要更新其key-node對映關係
• ASK，申明的是一種臨時的狀態，所有權還並沒有轉移，客戶端並不更新其對映關係。前面的加的ASKING命令也是申明其理解當前的這種臨時狀態

3，狀態檢測及維護

Cluster中的每個節點都維護一份在自己看來當前整個叢集的狀態，主要包括：

• 當前叢集狀態
• 叢集中各節點所負責的slots資訊，及其migrate狀態
• 叢集中各節點的master-slave狀態
• 叢集中各節點的存活狀態及不可達投票

當叢集狀態變化時，如新節點加入、slot遷移、節點宕機、slave提升為新Master，我們希望這些變化儘快的被發現，傳播到整個叢集的所有節點並達成一致。節點之間相互的心跳（PING，PONG，MEET）及其攜帶的資料是叢集狀態傳播最主要的途徑。

心跳時機：

Redis節點會記錄其向每一個節點上一次發出ping和收到pong的時間，心跳傳送時機與這兩個值有關。通過下面的方式既能保證及時更新叢集狀態，又不至於使心跳數過多：

• 每次Cron向所有未建立連結的節點發送ping或meet
• 每1秒從所有已知節點中隨機選取5個，向其中上次收到pong最久遠的一個傳送ping
• 每次Cron向收到pong超過timeout/2的節點發送ping
• 收到ping或meet，立即回覆pong

心跳資料

• Header，傳送者自己的資訊
  • 所負責slots的資訊
  • 主從資訊
  • ip port資訊
  • 狀態資訊
• Gossip，傳送者所瞭解的部分其他節點的資訊
  • ping_sent, pong_received
  • ip, port資訊
  • 狀態資訊，比如傳送者認為該節點已經不可達，會在狀態資訊中標記其為PFAIL或FAIL

心跳處理

• 1，新節點加入
  • 傳送meet包加入叢集
  • 從pong包中的gossip得到未知的其他節點
  • 迴圈上述過程，直到最終加入叢集

• 2，Slots資訊
  • 判斷髮送者宣告的slots資訊，跟本地記錄的是否有不同
  • 如果不同，且傳送者epoch較大，更新本地記錄
  • 如果不同，且傳送者epoch小，傳送Update資訊通知傳送者
• 3，Master slave資訊
  • 發現傳送者的master、slave資訊變化，更新本地狀態
• 4，節點Fail探測
  • 超過超時時間仍然沒有收到pong包的節點會被當前節點標記為PFAIL
  • PFAIL標記會隨著gossip傳播
  • 每次收到心跳包會檢測其中對其他節點的PFAIL標記，當做對該節點FAIL的投票維護在本機
  • 對某個節點的PFAIL標記達到大多數時，將其變為FAIL標記並廣播FAIL訊息

注：Gossip的存在使得叢集狀態的改變可以更快的達到整個叢集。每個心跳包中會包含多個Gossip包，那麼多少個才是合適的呢，redis的選擇是N/10，其中N是節點數，這樣可以保證在PFAIL投票的過期時間內，節點可以收到80%機器關於失敗節點的gossip，從而使其順利進入FAIL狀態。

廣播

當需要釋出一些非常重要需要立即送達的資訊時，上述心跳加Gossip的方式就顯得捉襟見肘了，這時就需要向所有叢集內機器的廣播資訊，使用廣播發的場景：

• 節點的Fail資訊：當發現某一節點不可達時，探測節點會將其標記為PFAIL狀態，並通過心跳傳播出去。當某一節點發現這個節點的PFAIL超過半數時修改其為FAIL併發起廣播。
• Failover Request資訊：slave嘗試發起FailOver時廣播其要求投票的資訊
• 新Master資訊：Failover成功的節點向整個叢集廣播自己的資訊

4，故障恢復（Failover）

當slave發現自己的master變為FAIL狀態時，便嘗試進行Failover，以期成為新的master。由於掛掉的master可能會有多個slave。Failover的過程需要經過類Raft協議的過程在整個叢集內達到一致， 其過程如下：

• slave發現自己的master變為FAIL
• 將自己記錄的叢集currentEpoch加1，並廣播Failover Request資訊
• 其他節點收到該資訊，只有master響應，判斷請求者的合法性，併發送FAILOVER_AUTH_ACK，對每一個epoch只發送一次ack
• 嘗試failover的slave收集FAILOVER_AUTH_ACK
• 超過半數後變成新Master
• 廣播Pong通知其他叢集節點

原始碼

1，資料結構

clusterState, 從當前節點的視角來看的叢集狀態，每個節點維護一份

• myself：指標指向自己的clusterNode
• currentEpoch：當前節點見過的最大epoch，可能在心跳包的處理中更新
• nodes：當前節點感知到的所有節點，為clusterNode指標陣列
• slots：slot與clusterNode指標對映關係
• migrating_slots_to, importing_slots_from：記錄slots的遷移資訊
• failover_auth_time, failover_auth_count, failover_auth_sent, failover_auth_rank, failover_auth_epoch：Failover相關

clusterNode，代表叢集中的一個節點

• slots：點陣圖，由當前clusterNode負責的slot為1
• salve, slaveof：主從關係資訊
• ping_sent, pong_received：心跳包收發時間
• clusterLink *link：Node間的聯接
• list *fail_reports：收到的節點不可達投票

clusterLink，負責處理網路上的一條連結來的內容

2，Redis啟動過程中與Cluster相關內容

• 初始化或從檔案中恢復cluster結構
• 註冊叢集間通訊訊息的處理函式：clusterProcessPacket
• 增加Cluster相關的Cron函式：clusterCron

3，客戶端請求重定向

• redis處理客戶端命令的函式processCommand增加cluster的重定向內容
• 事務或多key中若落在不同slots，直接返回CLUSTER_REDIR_CROSS_SLOT
• 如果當前存在於migration狀態，且有key不再當前節點，返回CLUSTER_REDIR_ASK
• 如果當前是import狀態且客戶端在ASKING狀態，則返回可以處理，或者CLUSTER_REDIR_UNSTABLE
• 如果不是myself，則返回CLUSTER_REDIR_MOVED

4，定時任務 clusterCron

• 對handshake節點建立Link，傳送Ping或Meet
• 選擇合適的clusterNode傳送Ping
• 如果是從檢視是否需要做Failover
• 統計並決定是否進行slave的遷移，來平衡不同master的slave數
• 判斷所有pfail報告數是否過半數

5，叢集訊息處理 clusterProcessPacket

• 根據收到的訊息更新自己的epoch和slave的offset資訊
• 處理MEET訊息，使加入叢集
• 從goosip中發現未知節點，發起handshake
• 對PING，MEET回覆PONG
• 根據收到的心跳資訊更新自己clusterState中的master-slave，slots資訊
• 對FAILOVER_AUTH_REQUEST訊息，檢查並投票
• 處理FAIL，FAILOVER_AUTH_ACK，UPDATE資訊