Redis Cluster 扩容与缩容：在线数据迁移的细节

各位观众，晚上好！欢迎来到“Redis Cluster 扩容与缩容：在线数据迁移的细节”讲座现场。我是你们今晚的导游，将带领大家一起探索Redis Cluster的伸缩自如之道。

今天我们要聊的是Redis Cluster这个分布式数据库的“身材管理”问题——如何让它根据业务需求“长胖”（扩容）或“减肥”（缩容），并且整个过程还不能影响正常业务的运行。听起来是不是有点像在做高难度瑜伽？别怕，我会把每个动作拆解开来，保证大家都能学会。

一、什么是Redis Cluster？先打个预防针

在深入讨论扩容和缩容之前，我们先简单回顾一下Redis Cluster的基本概念。你可以把Redis Cluster想象成一个乐团，每个乐手（Redis实例）负责演奏一部分乐谱（数据），乐谱的总谱（集群元数据）确保大家演奏的同步和协调。

数据分片： Redis Cluster采用分片（sharding）技术，将数据分散存储在多个节点上。默认情况下，有16384个哈希槽（slot），每个key通过CRC16算法计算哈希值，然后对16384取模，得到对应的槽位，然后将这个key存储到负责这个槽位的节点上。
主从复制： 每个主节点可以有多个从节点，用于数据备份和读请求分流。当主节点挂掉时，从节点可以接替成为主节点，保证数据的高可用。
Gossip协议： 集群中的节点之间通过Gossip协议交换彼此的信息，从而保持集群状态的一致性。

二、扩容：让你的Redis Cluster变“胖”

扩容是指增加Redis Cluster的节点数量，从而提高集群的存储容量和处理能力。扩容的过程可以分为以下几个步骤：

准备新节点： 首先，我们需要准备好新的Redis实例。这些实例需要安装Redis，并且配置文件（redis.conf）需要正确设置。关键配置包括：
- port: 监听端口。
- cluster-enabled yes: 启用集群模式。
- cluster-config-file nodes.conf: 集群配置文件路径。
- cluster-node-timeout: 节点超时时间。
一个简单的redis.conf示例：
```
port 7006 #假设新节点的端口是7006
cluster-enabled yes
cluster-config-file nodes.conf
cluster-node-timeout 15000
appendonly yes
```
加入集群： 使用redis-cli工具将新节点加入到现有集群中。你需要选择一个现有集群节点作为入口点。
```
redis-cli --cluster add-node <新节点IP:端口> <现有节点IP:端口>
# 例如：
redis-cli --cluster add-node 192.168.1.10:7006 192.168.1.1:7000
```
这个命令会将新节点添加到集群中，并将其标记为“slave”，也就是从节点。
成为主节点： 如果你想让新节点成为主节点，需要使用redis-cli --cluster reshard命令重新分片。这个命令会提示你输入要迁移的槽的数量以及目标节点的ID。
```
redis-cli --cluster reshard <现有节点IP:端口>
```
接下来，会有一系列的交互式步骤：
- How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? （你想移动多少个槽？范围是1到16384）
  这里输入你想迁移的槽的数量。你可以根据集群的负载情况和新节点的容量来决定。
- What is the receiving node ID? (你想把槽移动到哪个节点？)
  这里输入新节点的ID。你可以使用redis-cli cluster nodes命令查看节点的ID。
- Please enter all the source node IDs. (请输入所有源节点的ID)
  这里输入所有需要迁出槽的源节点的ID。你可以输入all，表示从所有节点迁出槽。
- Do you want to proceed with the rebalance? (yes/no) (你确定要开始重新平衡吗？)
  输入yes确认。
reshard命令会触发槽的迁移过程。这个过程会将一部分槽以及对应的数据从现有节点迁移到新节点。

数据迁移： 在reshard过程中，Redis Cluster会自动进行数据迁移。Redis会使用一种称为“在线迁移”的技术，即在迁移过程中，仍然可以处理客户端的请求。

原理： Redis会先将要迁移的槽标记为“migrating”（在源节点上）和“importing”（在目标节点上）。
请求处理： 当客户端请求源节点上的“migrating”槽时，源节点会先检查数据是否已经迁移到目标节点。如果已经迁移，则返回ASK重定向错误，告诉客户端去目标节点访问；如果没有迁移，则正常处理请求。
数据同步： Redis会逐步将数据从源节点同步到目标节点。

可以用以下表格来理解这个过程：

步骤	描述
1	客户端请求Key，该Key属于Slot X，而Slot X当前在Node A上（且Node A标记Slot X为migrating）
2	Node A检查Key是否存在。如果存在，直接处理客户端的请求；如果不存在，则返回ASK重定向错误，告诉客户端去找Node B（Slot X的目标节点，且Node B标记Slot X为importing）
3	客户端收到ASK重定向错误，向Node B发送`ASKING`命令，表示客户端已经准备好接收Node B的数据。
4	客户端向Node B发送请求，Node B处理请求。
5	在后台，Node A逐步将Slot X的数据迁移到Node B。

设置从节点： 为了保证高可用，你应该为新加入的主节点设置从节点。使用redis-cli --cluster add-node命令将现有节点或新的节点添加到新主节点下作为从节点。
```
redis-cli --cluster add-node <从节点IP:端口> <主节点IP:端口> --cluster-slave --cluster-master-id <主节点ID>
#例如
redis-cli --cluster add-node 192.168.1.11:7007 192.168.1.10:7006 --cluster-slave --cluster-master-id a7dfcf07a635665654443546b1fa117d565757
```
- --cluster-slave 表示将该节点添加为从节点
- --cluster-master-id <主节点ID> 表示指定该从节点的主节点ID

三、缩容：让你的Redis Cluster“减肥”

缩容是指减少Redis Cluster的节点数量，从而减少集群的资源消耗。缩容的过程相对复杂，需要谨慎操作，以避免数据丢失。缩容可以分为以下几个步骤：

迁移槽： 首先，我们需要将要移除的节点上的槽迁移到其他节点上。可以使用redis-cli --cluster reshard命令进行槽的迁移。
```
redis-cli --cluster reshard <要移除的节点IP:端口>
```
在交互式步骤中：
- How many slots do you want to move (from 1 to 16384)? （你想移动多少个槽？范围是1到16384）
  这里输入要移除的节点上的槽的数量。你可以输入all，表示迁移所有槽。
- What is the receiving node ID? (你想把槽移动到哪个节点？)
  这里输入目标节点的ID。你可以选择一个或多个现有节点作为目标节点。
- Please enter all the source node IDs. (请输入所有源节点的ID)
  这里输入要移除的节点的ID。
- Do you want to proceed with the rebalance? (yes/no) (你确定要开始重新平衡吗？)
  输入yes确认。
确保所有槽都已经成功迁移到其他节点上。可以使用redis-cli cluster info命令查看集群状态，确认要移除的节点上的cluster_slots_assigned为0。
移除从节点： 如果要移除的是从节点，可以直接使用redis-cli cluster forget命令将其从集群中移除。
```
redis-cli cluster forget <要移除的节点ID>
```
执行这个命令需要在其他主节点上执行，而不是在要移除的从节点上执行。

如何获取需要移除的节点ID？
1. 连接到集群中的任意节点：redis-cli -c -h <host> -p <port>
2. 运行命令 CLUSTER NODES。这个命令会列出集群中的所有节点信息，包括它们的ID、IP地址、端口号、角色（主节点或从节点）等。
移除主节点： 如果要移除的是主节点，需要先将其降级为从节点，然后再移除。
- 降级为从节点： 首先，我们需要选择一个从节点，将其提升为主节点，然后将要移除的主节点降级为该主节点的从节点。
  - 选择从节点： 使用redis-cli cluster nodes命令查看要移除的主节点的从节点列表，选择一个合适的从节点（例如，数据同步程度较高的从节点）。
  - 提升从节点： 连接到选定的从节点，执行CLUSTER FAILOVER命令，将其提升为主节点。
```
redis-cli -h <从节点IP> -p <从节点端口> cluster failover
```
  - 降级主节点： 连接到要移除的主节点，执行CLUSTER REPLICATE <新的主节点ID>命令，将其降级为新的主节点的从节点。
```
redis-cli -h <原主节点IP> -p <原主节点端口> cluster replicate <新的主节点ID>
```
- 移除节点： 现在，要移除的节点已经是一个从节点了，可以使用redis-cli cluster forget命令将其从集群中移除。
清理节点： 最后，关闭已经移除的Redis实例，并清理相关的数据目录和配置文件。

四、注意事项：避坑指南

在进行扩容和缩容时，有一些需要注意的事项：

备份数据： 在进行任何操作之前，务必备份数据。虽然Redis Cluster具有高可用性，但备份总是好的习惯。
监控： 在扩容和缩容过程中，密切监控集群的性能指标，例如CPU利用率、内存使用率、网络流量等。
逐步操作： 避免一次性迁移大量的槽。可以逐步迁移，每次迁移少量槽，观察集群的性能变化，然后再进行下一步操作。
选择合适的槽数量： 槽的数量会影响集群的性能和扩展性。默认的16384个槽对于大多数应用来说已经足够了。
网络： 确保集群中的所有节点之间网络畅通。
版本兼容性： 确保集群中的所有节点使用相同或兼容的Redis版本。
自动故障转移： 在缩容时，要特别注意自动故障转移的影响。如果集群配置不当，可能会导致数据丢失。
避免在高峰期操作： 尽量选择在业务低峰期进行扩容和缩容操作，以减少对业务的影响。
ASKING 问题： 客户端收到ASK重定向错误后，需要先发送ASKING命令，才能访问目标节点。某些客户端可能不支持ASKING命令，导致无法正常访问数据。需要升级客户端或使用支持ASKING命令的客户端。
数据倾斜： 在扩容和缩容后，可能会出现数据倾斜的问题，即某些节点上的数据量远大于其他节点。可以使用redis-cli --cluster rebalance命令尝试平衡集群中的数据。
```
redis-cli --cluster rebalance <任意节点IP:端口>
```
但是rebalance命令可能会导致集群性能下降，建议在业务低峰期使用。也可以通过手动迁移槽的方式来解决数据倾斜问题。

五、示例代码：来点真格的

下面是一个简单的Python脚本，用于执行Redis Cluster的扩容操作：

import redis
import redis.cluster

def add_node(host, port, new_host, new_port):
    """将新节点添加到Redis Cluster中"""
    try:
        startup_nodes = [{"host": host, "port": port}]
        rc = redis.cluster.RedisCluster(startup_nodes=startup_nodes, decode_responses=True)
        rc.cluster_add_node(new_host + ":" + str(new_port))
        print(f"成功将节点 {new_host}:{new_port} 添加到集群中")
    except Exception as e:
        print(f"添加节点失败：{e}")

def reshard(host, port, slots, target_node_id, source_node_ids):
    """重新分片Redis Cluster"""
    try:
        startup_nodes = [{"host": host, "port": port}]
        rc = redis.cluster.RedisCluster(startup_nodes=startup_nodes, decode_responses=True)
        rc.cluster_reshard(slots=slots, target_node_id=target_node_id, source_node_ids=source_node_ids)
        print(f"成功重新分片 {slots} 个槽")
    except Exception as e:
        print(f"重新分片失败：{e}")

if __name__ == '__main__':
    # 集群中现有节点
    existing_host = "192.168.1.1"
    existing_port = 7000

    # 新节点
    new_host = "192.168.1.10"
    new_port = 7006

    # 添加新节点
    add_node(existing_host, existing_port, new_host, new_port)

    # 获取新节点的ID (需要手动执行 redis-cli cluster nodes 获取)
    new_node_id = "a7dfcf07a635665654443546b1fa117d565757" # 替换为实际的节点ID

    # 要迁移的槽的数量
    slots_to_move = 1000

    # 源节点ID (可以设置为 "all" 从所有节点迁移)
    source_node_ids = "all"

    # 重新分片
    reshard(existing_host, existing_port, slots_to_move, new_node_id, source_node_ids)

    print("扩容完成，请检查集群状态")

注意： 这个代码只是一个示例，你需要根据自己的实际情况进行修改。

六、总结：伸缩自如，掌控全局

Redis Cluster的扩容和缩容是一项复杂的任务，需要仔细规划和执行。通过理解其原理和注意事项，你可以更好地掌控你的Redis Cluster，让它根据业务需求伸缩自如，提供稳定可靠的服务。

希望今天的讲座对大家有所帮助。谢谢大家！有问题可以提问。

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