唯品會Redis大規模生產實踐

很高興有機會在Redis中國用戶組給大家分享redis cluster的生產實踐。目前在唯品會主要負責redis/hbase的運維和開發支持工作，也參與工具開發工作。

Outline

一、生產應用場景

二、存儲架構演變

三、應用最佳實踐

四、運維經驗總結

第1、2節：介紹redis cluster在唯品會的生產應用場景，以及存儲架構的演變。
第3節：redis cluster的穩定性，應用成熟度，踩到過那些坑，如何解決這些問題？這部分是大家比較關心的內容。
第4節：簡單介紹大規模運營的一些經驗，包括部署、監控、管理以及redis工具開發。

一、生產應用場景

1、業務範圍

redis cluster在唯品會主要應用於後端業務，用作內存存儲服務。主要大數據實時推薦/ETL、風控、營銷三大業使用。cluster用於取代當前twemproxy三層架構，作爲通用的存儲架構。redis cluster可以大幅度簡化我們的存儲架構，也解決twemproxy架構無法在線擴容節點的問題。目前我們在線有生產幾十個cluster集羣，約2千個instances，單個集羣最大達到250+instances。
這是我們的生產應用場景，主要是後端業務的存儲，目前沒有作爲cache使用的場景。

2、大數據、風控、營銷系統的特徵

• cluster作爲數據量大, 單個cluster集羣在幾十個GB到上TB級別內存存儲量。

• 作爲後端應用的存儲，數據來源主要以下三種方式：

  • Kafka --> Redis Cluster，Storm/Spark實時
  • Hive --> Redis Cluster， MapReduce程序
  • MySQL --> Redis Cluster，Java/C++程序。

• 數據由離線/實時job生成, 讀寫請求量大, 對讀寫性能也要求高。

• 業務高峯期請求量急劇上升，幾倍的讀寫量增加，需要多個redis實例承擔業務的讀寫壓力。

• 業務需求變化快， schema變化頻繁。如果使用MySQL作爲存儲，那麼將會是頻繁的DLL變更，而且需要做online schema change。

• 大促銷活動時擴容頻繁。

3、爲什麼選擇redis cluster

3.1 cluster適合我們後端生產應用場景

• 在線水平擴展能力，能夠解決我們大量的擴容需求。
• Failover能力和高可用性。
• 雖然cluster不保證主從數據強一致性，但是後端業務能夠容忍failover後少量的數據丟失。

3.2 架構簡單

• 無中心架構，各個節點度等。slave節點提供數據冗餘，master節點異常時提升爲master。
• 取代twemproxy三層架構，系統複雜性降低。
• 可以節約大量的硬件資源，我們的Lvs + Twemproxy層 使用了近上千臺物理機器。
• 少了lvs和twemproxy層，讀寫性能提升明顯。響應時間從100-200us減少到50-100us。
• 系統瓶頸更少。lvs層網卡和pps吞吐量瓶頸;對於請求長度較大的業務，twemproxy單節點性能低。
  總結下，我們選擇redis cluster主要這兩點原因：簡單、擴展性。另外，我們用cluster取代twemproxy集羣，三層架構實在是很令人頭疼，複雜、瓶頸多、管理不方面。

二、存儲架構演變

1、架構演變

 

在2014年7月，爲了準備當時的814撒嬌節大促銷活動，我們把單個redis的服務遷移到twemproxy上。twemproxy在後端快速完成數據分片和擴容。爲了避免再次擴容，我們靜態分配足夠多的資源。
之後，twemproxy暴露出來的系統瓶頸很多，資源使用很多，也存在一定的浪費。我們決定用redis cluster取代這種複雜的三層架構。
redis cluster GA之後，我們就開始上線使用。最初是3.0.2 版本，後面大量使用3.0.3 ，上個月開始使用3.0.7版本。

下面簡單對比下兩種架構，解析下他們的優缺點。

2、Twemproxy架構

優點

• sharding邏輯對開發透明，讀寫方式和單個redis一致。
• 可以作爲cache和storage的proxy（by auto-eject）。

缺點

• 架構複雜，層次多。包括lvs、twemproxy、redis、sentinel和其控制層程序。
• 管理成本和硬件成本很高。
• 2 * 1Gbps 網卡的lvs機器，最大能支撐140萬pps。
• 流量高的系統，proxy節點數和redis個數接近。
• Redis層仍然擴容能力差，預分配足夠的redis存儲節點。

twemproxy.png

這是twemproxy的架構，客戶端直接連接最上面的lvs（LB），第二層是同構的twemproxy節點，下面的redis master節點以及熱備的slave節點，另外還有獨立的sentinel集羣和切換控制程序，twemproxy先介紹到這裏。

3、Redis Cluster架構

優點

• 無中心 架構。
• 數據按照slot存儲分佈在多個redis實例上。
• 增加slave做standby數據副本，用於failover，使集羣快速恢復。
• 實現故障auto failover。節點之間通過gossip協議交換狀態信息；投票機制完成slave到master角色的提升。
• 亦可manual failover，爲升級和遷移提供可操作方案。
• 降低硬件成本和運維成本，提高系統的擴展性和可用性。

缺點

• client實現複雜，驅動要求實現smart client，緩存slots mapping信息並及時更新。
• 目前僅JedisCluster相對成熟，異常處理部分還不完善，比如常見的“max redirect exception”。
• 客戶端的不成熟，影響應用的穩定性，提高開發難度。
• 節點會因爲某些原因發生阻塞(阻塞時間大於clutser-node-timeout），被判斷下線。這種failover是沒有必要，sentinel也存在這種切換場景。
  cluster的架構如下：

cluster.jpg

圖上只有master節點（slave略去），所有節點構成一個完全圖,slave節點在集羣中與master只有角色和功能的區別。

架構演變講完了,開始講第三部分，也是大家最感興趣的一部分.

三、應用最佳實踐

• redis cluster的穩定性如何？
• 存在哪些坑?
• develop guideline & best practice

1、穩定性

• 不擴容時集羣非常穩定。
• 擴容resharding時候，早期版本的Jedis端有時會出現“max-redirect”異常。
  分析Jedis源碼，請求重試次數達到了上限，仍然沒有請求成功。兩方面分析：redis連接不上？還是集羣節點信息不一致？
• 存活檢測機制缺陷
  redis 存活檢測機制可能因爲master 節點上慢查詢、阻塞式命令、或者其它的性能問題導致長時間沒有響應，這個節點會認爲處於failed狀態，並進行切換。這種切換是沒必要的。

  優化策略：

a) 默認的cluster-node-timeout爲15s，可以適當增大;
b) 避免使用會引起長時間阻塞的命令，比如save/flushdb等阻塞操作，或者keys pattern這種慢查詢。

總體來說，redis cluster已經非常穩定了，但是要注意一些應用中的小問題,下面是5個坑，大家注意了.

2、有哪些坑？

2.1 遷移過程中Jedis“Max Redirect”異常。

• github上討論的結果是程序retry。
• max redirt issues：https://github.com/xetorthio/jedis/issues/1238
• retry時間應該大於failover 時間。
• Jedis參數優化調整：增大jedis中的‘DEFAULT_MAX_REDIRECTIONS’參數，默認值是5.
• 避免使用multi-keys操作，比如mset/mget. multi-key操作有些客戶端沒有支持實現。

2.2 長時間阻塞引起的不必要的failover

• 阻塞的命令。比如save/flushall/flushdb
• 慢查詢。keys *、大key的操作、O(N)操作
• rename危險操作：
  • rename-command FLUSHDB REDIS_FLUSHDB
  • rename-command FLUSHALL REDIS_FLUSHALL
  • rename-command KEYS REDIS_KEYS

2.3 同時支持ipv4和ipv6偵聽服務埋下的坑

具體現象：redis啓動正常，節點的協議端口只有ipv6 socket創建正常。異常節點也無法加入到集羣中，也無法獲取epoch。
解決方法：啓動時指定網卡ipv4地址，也可以是0.0.0.0，配置文件中添加：bind 0.0.0.0
這個是在setup集羣的時候發生過的一個問題，bind 0.0.0.0雖然存在一些安全性問題，但是是比較簡單通用的解決方法。

2.4 數據遷移速度較慢

• 主要使用的redis-trib.rb reshard來完成數據遷移。
• redis-3.0.6版本以前migrate操作是單個key逐一操作。從redis-3.0.6開始，支持單次遷移多個key。
• redis集羣內部最多隻允許一個slot處於遷移狀態，不能併發的遷移slots。
• redis-trib.rb reshard如果執行中斷，用redis-trib.rb fix修復集羣狀態。

2.5 版本選擇/升級建議

• 我們已經開始使用3.0.7版本，很多3.2.0修復的bug已經backport到這個版本。
• 另外我們也開始測試3.2.0版本，內存空間優化很大。
• Tips
  • redis-trib.rb支持resharding/rebalance，分配權重。
  • redis-trib.rb支持從單個redis遷移數據到cluster集羣中。

後面2點不算坑把，算是不足,tips也很實用.開始分享下最佳實踐。

3、最佳實踐

3.1 應用做好容錯機制

• 連接或者請求異常，進行連接retry和reconnect。
• 重試時間應該大於cluster-node-time時間
  還是強調容錯，這個不是針對cluster，所有的應用設計都適用。

3.2 制定開發規範

• 慢查詢，進程cpu 100%、客戶端請求變慢，甚至超時。
• 避免產生hot-key，導致節點成爲系統的短板。
• 避免產生big-key，導致網卡打爆、慢查詢。
• TTL, 設置合理的ttl，釋放內存。避免大量key在同一時間段過期，雖然redis已經做了很多優化，仍然會導致請求變慢。
• key命名規則。
• 避免使用阻塞操作，不建議使用事務。
  �開發規範，使你們的開發按照最優的方式使用nosql。

3.3 優化連接池使用

• 主要避免server端維持大量的連接。
• 合理的連接池大小。
• 合理的心跳檢測時間。
• 快速釋放使用完的連接。
• Jedis一個連接創建異常問題（fixed）：
  https://github.com/xetorthio/jedis/issues/1252

連接問題是redis開發使用中最常見的問題，connection timeout/read timeout，還有borrow connection的問題。

3.4 區分redis/twemproxy和cluster的使用

• redis建議使用pipeline和multi-keys操作，減少RTT次數，提高請求效率。
• twemproxy也支持pipeline, 支持部分的multi-key可以操作。
• redis cluster不建議使用pipeline和multi-keys操作，減少max redirect產生的場景。

區分redis 和 cluster的使用，一方面是數據分片引起的；另一方面，與client的實現支持相關。

3.5 幾個需要調整的參數

1）設置系統參數vm.overcommit_memory=1，可以避免bgsave/aofrewrite失敗。
2）設置timeout值大於0，可以使redis主動釋放空閒連接。
3）設置repl-backlog-size 64mb。默認值是1M，當寫入量很大時，backlog溢出會導致增量複製不成功。
4）client buffer參數調整
client-output-buffer-limit normal 256mb 128mb 60
client-output-buffer-limit slave 512mb 256mb 180

四、運維經驗總結

1、自動化管理

• CMDB管理所有的資源信息。
• Agent方式上報硬軟件信息。
• 標準化基礎設置。機型、OS內核參數、軟件版本。
• Puppet管理和下發標準化的配置文件、公用的任務計劃、軟件包、運維工具。
• 資源申請自助服務。

2、自動化監控

• zabbix作爲主要的監控數據收集工具。
• 開發實時性能dashboard，對開發提供查詢。
• 單機部署多個redis，藉助於zabbix discovery。
• 開發DB響應時間監控工具Titan。
• 基本思想來源於pt-query-degest，通過分析tcp應答報文產生日誌。flume agent + kafka收集，spark實時計算，hbase作爲存儲。最終得到hotquery/slowquery，request source等性能數據。

3、自動化運維

• 資源申請自助服務化。
• 如果申請合理，一鍵即可完成cluster集羣部署。
  能不動手的，就堅決不動手，另外，監控數據對開發開發很重要，讓他們瞭解自己服務性能，有時候開發會更早發現集羣的一些異常行爲，比如數據不過期這種問題，運維就講這麼多了，後面是乾貨中的乾貨，由deep同學開發的幾個實用工具。

4、redis開源工具介紹

4.1 redis實時數據遷移工具

1） 在線實時遷移
2） redis/twemproxy/cluster 異構集羣之間相互遷移。
3）github：https://github.com/vipshop/redis-migrate-tool

4.2 redis cluster管理工具

1）批量更改集羣參數
2）clusterrebalance
3）很多功能，具體看github ：
https://github.com/deep011/redis-cluster-tool

4.3 多線程版本Twemproxy

1）大幅度提升單個proxy的吞吐量，線程數可配置。
2）壓測情況下，20線程達到50w+qps，最優6線程達到29w。
3）完全兼容twemproxy。
4）github：
https://github.com/vipshop/twemproxies

4.4 在開發的中的多線redis

1）Github：
https://github.com/vipshop/vire

2）歡迎一起參與協作開發，這是我們在開發中的項目，希望大家能夠提出好的意見。

問答（陳羣和申政解答）：

問題1：版本更新，對數據有沒有影響？

答：我們重啓升級從2.8.17到3.0.3/3.0.7沒有任何的異常。3.0到3.2我們目前還沒有實際升級操作過。

問題2：請問下sentinel模式下有什麼好的讀寫分離的方法嗎

答：我們沒有讀寫分離的使用，讀寫都在maste；集羣太多，管理複雜；此外，我們也做了分片，沒有做讀寫分離的必要；且我們幾乎是一主一從節點配置

問題3：redis的fork主要是爲了rdb吧，去掉是爲了什麼呢

答：fork不友好

問題4：如果不用fork，是怎麼保證rdb快照是精確的，有其他cow機制麼

答：可以通過其他方法，這個還在探究階段，但目標是不用fork

問題5：就是redis cluster模式下批量操作會有很多問題，可是不批量操作又會降低業務系統的性能

答：確實存在這方面的問題，這方面支持需要客戶端的支持，但是jedis的作者也不大願意支持pipeline或者一些multi key操作。如果是大批量的操作，可以用多線程提高客戶端的吞吐量。

 

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