Redis:redis cluster的實現細節
本片博文主要介紹：
rediscluster 主要實現的是 資料分片到每一個節點，各節點之間如何通訊並保持資料的一致性、節點狀態的同步性！如何即時重新整理整個集群系統的狀態更新。
1）資料分片
16384個slot
2）客戶端對每個節點請求的時候，如果是伺服器端分片策略，那麼當客戶端請求過來，會出現重定向的過程。
伺服器計算出正確的節點，並回送地址。
MOVE
ASK
3）資料同步
心跳機制 ======》 header (自己的資訊） + gossip（自己所知的其他節點的資訊）
4）故障恢復
master宕機，slave轉主。獲取版本號。傳送投票請求，獲取請求回覆，票數過半，轉主，傳送廣播訊息同步各節點資訊。
Redis Cluster 實現
本文將從設計思路，功能實現幾個方面介紹Redis Cluster。（下面提到的epoch（類似於Raft演算法“term”（任期））
假設讀者已經瞭解Redis Cluster的使用方式,不瞭解可以先看之前一篇介紹Redis Cluster的部落格。
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（伺服器端分片策略，客戶端和任意的伺服器節點進行連線）
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
- 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
- 2，Slots資訊
