Redis集群模式之Redis Cluster（1）
在前面的文章中我们介绍了什么是主从复制模式和哨兵模式，这两种模式虽然可以使用读写分离策略对读的并发性进行扩展，但是写能力和存储能力无法得到有效的扩展，只能是主节点服务器单服务器的性能上限。如果面对海量数据的存储，就要构建主节点之间的集群，同时要兼具上面两种模式的优点，也就是每个主节点必须有自己的从节点来进行数据冗余存储，这就是Redis Cluster模式。
Redis Cluster主要模块介绍
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（2^14）个哈希槽，每个key通过CRC16校验后对16383取模来决定放置到哪个槽。Cluster中的每个节点负责一部分Hash槽。
假设集群中存在3个主节点，则可能按照以下数量进行哈希槽的分配：
主节点1负责0~5400号的哈希槽，主节点2负责5401~10800号的哈希槽，主节点3负责10801~16383号的哈希槽。
Keys Hash Tags
Hash Tags提供了一种途径，用来将多个相关的key分配到相同的哈希槽中，这是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，那么“{”和“}”之间的字符将用来计算Hash Slot，以保证这样的key储存在同一个哈希槽中。规则如下：
（1）key包含一个“{”字符；
（2）并且如果在这个“{”字符的右边还有一个“}”字符；
（3）并且如果在“{”和“}”字符之间存在至少一个字符。
举个例子：
{id888}.a和{id888}.b这两个key会被存放在同一个哈希槽中，因为哈希值在计算时只考虑“{}”内的值。如果不满足上面的三条规则，则不会启用Hash Tags。
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他的ID，并永远使用这个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并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。一些信息是关于本节点在集群中配置的细节，并最终在Cluster内部保持一致。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：节点id、节点的IP和Port、节点标签，主节点id（表明该节点为从节点），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哈希槽。
对节点字段更详细的描述，可以参考对命令CLUSTER NODES的描述。
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+10000。
节点到节点的通信只使用集群总线，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。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，在等待足够长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。
节点握手
节点总是接受集群总线端口的连接，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，那么其他包将被抛弃。
节点认定其他节点是当前集群的一部分有两种方式：
（1）如果一个节点出现在一条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收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CLUSTER MEET ip port命令，才会向其他节点发送MEET消息。
（2）如果一个被信任的节点gossip了某个节点，那么接收到gossip消息的节点也会将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，B知道C，B发送gossip消息到A，告诉A：C是集群的一部分。这时，A会把C注册为网络的一部分，并尝试与C建立连接。
这就意味着，一旦我们把某个节点加入了连接图，它们最终会自动形成一张全连接图。这意味着只要系统管理员强制加入一条信任关系，集群可以自动发现发现其他节点。
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哈希槽，客户端如何确定key到底会映射到哪个节点上呢？这就是下面我们要介绍的请求重定向。
在Cluster模式下，节点对请求的处理过程如下：
（1）检查当前key是否存在当前的节点下（通过CRC16校验后取模，得到对应的Slot值；查询该Slot值负责的节点，得到节点指针；将得到的指针与自身进行比较）；
（2）如果Slot不是自身负责的，则返回MOVED重定向；
（3）如果Slot是自身负责的，并且key在Slot中，则返回该key对应的结果；
（4）如果key不在此Slot中，检查该Slot是否正在迁出（MIGRATING）；
（5）如果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；
（6）如果Slot未迁出，检查Slot是否导入中；
（7）如果Slot导入中且有ASKING标记，则直接操作；
（8）否则返回MOVED重定向。
我们来讲解一下什么是MOVED重定向和ASK重定向。
MOVED重定向
MOVED具体的流程如下：
（1）客户端发送键命令给任意节点；
（2）任意节点对键进行Slot值的计算并得到对应节点的指针；
（3）接着判断得到的指针是否指向自身，并判断是否槽命中。如果是，则执行命令，如果不是，则返回MOVED重定向命令给客户端。
（4）客户端根据重定向重新发送键命令到对应节点。
槽命中：指的是所找的键在当前节点负责的哈希槽中可以找到。
ASK重定向
ASK重定向发生于集群伸缩（集群中节点数量扩充或缩减）时，集群伸缩会导致哈希槽的迁移，当我们去源节点访问时，此时的数据可能已经迁移到了目标节点，使用ASK重定向来解决此问题。
Smart客户端
上述两种重定向机制使得客户端的实现更加复杂，通过Smart客户端（Jedis Cluster）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
节点的映射，用于快速定位目标节点。具体的实现原理如下：
（1）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。
（2）将上述映射关系储存到本地，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，并且为每个节点创建Jedis Pool。
至此，客户端就可以用来命令操作了，具体的流程图如下：
本篇文章我们主要介绍了Redis Cluster要解决的问题、Redis Cluster中的一些基本概念和Redis Cluster中的重定向机制，大家有什么问题或者勘误可以在评论区留言，笔者看到都会回复的。