Redis Cluster採用虛擬槽分區，所有的鍵根據哈希函數映射到0~16383整數槽內，計算公式：slot=CRC16(key)&16383。槽是集羣內數據管理和遷移的基本單位。採用大範圍槽的主要目的是爲了方便數據拆分和集羣擴展。每個節點會負責一定數據的槽，如下圖所示：
當集羣有5個節點，每個節點平均大約負載3276個槽。由於採用高質量的哈希算法，每個槽所映射的數據通常比較均勻，將數據平均劃分到5個節點進行數據分區。每一個節點負責維護一部分槽以及槽所映射的鍵值數據，如下圖所示：
Redis虛擬槽分區的特點：
解耦數據和節點之間的關係，簡化了節點擴容和收縮難度。
節點自身維護槽的映射關係，不需要客戶端或者代理服務維護槽分區元數據。
支持節點、槽、鍵之間的映射查詢，用於數據路由、在線伸縮等場景。
數據分區是分佈式存儲的核心，理解和靈活運用數據分區規則對於掌握Redis Cluster非常有幫助。
集羣功能限制
Redis集羣相對單機的功能上存在一些限制，需要開發人頁提前瞭解，在使用時做好規避。限制如下：
1)key批量操作支持有限。如mset、mget，目前只支持具有相同slot值的key執行批量操作。對於映射爲不同slot值的key由於執行mget、mset等操作可能存在於多個節點上因此不被支持。
2)key事務操作支持有限。同理只支持多key在同一節點上的事務操作，當多個key分佈在不同的節點上時無法使用事務功能。
3)key作爲數據分區的最小粒度，因此不能將一個大的鍵值對象如hash、list等映射到不同的節點。
4)不支持多數據庫空間。單機下的Redis可以支持16個數據庫，集羣模式下只能使用一個數據庫空間，即db0。
5)複製結構只支持一層，從節點只能複製主節點，不支持嵌套樹狀複製結構。
搭建集羣
下面開始搭建集羣工作，需要以下三個步驟：
1)準備節點
2)節點握手
3)分配槽
準備節點
節點規劃，使用三臺機器，第臺機器上部署兩個Redis實例，分別爲一主一從。
redis_1 192.168.56.120 redis_2 192.168.56.121 redis_3 192.168.56.122
Redis集羣一般由多個節點組成，節點數據至少爲6個才能保證組成完整高可用的集羣。每個節點需要開啓配置cluster-enabled yes，讓Redis運行在集羣模式下。建議爲集羣內所有節點統一目錄，一般劃分三個目錄：conf、data、log，分別存放配置、數據和日誌相關文件。把6個節點配置統一放在conf目錄下，集羣相關配置如下：
#節點端口 port 6379 #開啓集羣模式 cluster-enabled yes #節點超時時間，單位毫秒 cluster-node-timeout 15000 #集羣內部配置文件 cluster-config-file "nodes-6379.conf"
其他配置和單機模式一致即可，配置文件命名規則redis-{port}.conf，準備好配置後啓動所有節點，命令如下：
#redis_1 redis-server conf/redis-6379.conf & redis-server conf/redis-6380.conf & #redis_2 redis-server conf/redis-6379.conf & redis-server conf/redis-6380.conf & #redis_3 redis-server conf/redis-6379.conf & redis-server conf/redis-6380.conf &
檢查節點是日誌是否正確，內容如下
5200:M 05 Apr 11:28:18.931 * No cluster configuration found, I'm 383261e3f0053f74c953bd07ceee36a4b5795bc3 ...... Redis 4.0.13 (00000000/0) 64 bit Running in cluster mode Port: 6380 PID: 5200 ....... 5200:M 05 Apr 11:28:18.943 * Ready to accept connections
redis_1上的6379節點啓動成功，第一次啓動時如果沒有集羣配置文件，它會自動創建一份，文件名稱採用cluster-config-file參數項控制，建議採用node-{port}.conf格式定義，通過使用端口號區分不同節點，防止同一機器下多個節點彼此覆蓋，造成集羣信息異常。如果啓動時存在集羣配置文件，節點會使用配置文件內容初始化集羣信息，啓動過程如下圖：
集羣模式的Redis除了原有的配置文件之外又加了一份集羣配置文件。當集羣節點信息發生變化，如添加節點、節點下線、故障轉移等。節點會自動保存集羣狀態到配置文件中。需要注意的是，Redis自動維護集羣配置文件，不要手動修改，防止節點重啓時產生集羣信息錯亂。
如redis_3的6379實例首次啓動後生成集羣配置如下：
[redis@redis_3 ~]$ cat data/nodes-6379.conf
275753d11365feabb366170b940bca4b8486bbd7 :0@0 myself,master - 0 0 0 connected
vars currentEpoch 0 lastVoteEpoch 0
文件內容記錄了集羣初始狀態，這裏最重要的是節點ID，它是一個40位16進制字符串，用於標準集羣內一個節點，之後很多集羣操作都要藉助於節點ID來完成。需要注意的是，節點IDeas不同於運行IDeas。節點IDeas在集羣初始化時只創建一次，節點重啓時會加載集羣配置文件進行重用，而Redis的運行IDeas每次重啓都 會變化。在redis_3的6379節點上執行cluster nodes命令獲取集羣節點狀態：
127.0.0.1:6380> cluster nodes
d54639285709a65bb8ca331f26d4fe1b1c8c73ca :6380@16380 myself,master - 0 0 0 connected
每個節點目前只能識別出自己的節點信息。我們啓動6個節點，但每個節點彼此不知道對方的存在，下面通過節點握手讓6個節點彼此建議聯繫從而組成一個集羣。
節點握手
節點握手是批一批運行在集羣模式下的節點通過Gossip協議彼此通信，達到感知對方的過程。節點握手是集羣彼此通信的第一步，由客戶端發起命令：cluster meet {ip} {port}，如下圖所示
圖中執行的命令是：cluster meet 127.0.0.1 6380讓節點6379和6380進行握手通信。cluster meet命令是一個異步命令，執行之後立刻返回。內部發起與目標節點進行握手通信，如圖所示
1)節點6379本地創建6380節點信息對象，併發送meet消息。
2)節點6380接受到meet消息後，保存6379節點信息並回復pong消息。
3)之後節點6379和6380彼此定期通過ping/pong消息進行正常的節點通信。
這裏的meet、ping、pong消息是Gossip協議通信的載體，之後的節點通信部分做進一步介紹，它的主要作用是節點彼此交換狀態數據信息。6379和6380節點通過meet命令彼此建議通信之後集羣結構如圖：
執行完cluster meet後，可以通過cluster nodes看到兩個實例都檢查到了對方的存在
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_1 -p 6379 redis_1:6379> cluster meet 192.168.56.120 6380 OK redis_1:6379> cluster nodes 383261e3f0053f74c953bd07ceee36a4b5795bc3 192.168.56.120:6380@16380 master - 0 1554440139158 1 connected ceaf2ccb751978b7334ddeca474da3d6b7aac99b 192.168.56.120:6379@16379 myself,master - 0 0 0 connected redis_1:6379> exit [redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_1 -p 6380 redis_1:6380> cluster nodes ceaf2ccb751978b7334ddeca474da3d6b7aac99b 192.168.56.120:6379@16379 master - 0 1554440152934 0 connected 383261e3f0053f74c953bd07ceee36a4b5795bc3 192.168.56.120:6380@16380 myself,master - 0 0 1 connected redis_1:6380>
使用如下命令把其他節點加入集羣，只需要在集羣內任意節點執行cluster meet命令加入新節點，握手狀態會通過消息在集羣內傳播，這樣其他節點會自動發現新節點併發起握手流程。最後執行cluster nodes命令確認6個節點都彼此感知並組成了集羣：
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_1 -p 6379 redis_1:6379> cluster meet 192.168.56.121 6379 OK redis_1:6379> cluster meet 192.168.56.121 6380 OK redis_1:6379> cluster meet 192.168.56.122 6379 OK redis_1:6379> cluster meet 192.168.56.122 6380 OK redis_1:6379> cluster nodes 275753d11365feabb366170b940bca4b8486bbd7 192.168.56.122:6379@16379 master - 0 1554440316783 4 connected 383261e3f0053f74c953bd07ceee36a4b5795bc3 192.168.56.120:6380@16380 master - 0 1554440316000 1 connected ceaf2ccb751978b7334ddeca474da3d6b7aac99b 192.168.56.120:6379@16379 myself,master - 0 1554440315000 5 connected d54639285709a65bb8ca331f26d4fe1b1c8c73ca 192.168.56.122:6380@16380 master - 0 1554440316000 0 connected ca4f05809dc9a9eda4292a33b994b4e2aab13033 192.168.56.121:6380@16380 master - 0 1554440317000 3 connected a85bbb17a3f559d18d7f5059f14ffd9f6ba48ee1 192.168.56.121:6379@16379 master - 0 1554440315000 2 connected
握手完成後集羣的狀態如下圖：
節點建議握手之後集羣還不能正常工作，這裏集羣處理下線狀態，所有的數據讀寫都被禁止。通過如下命令可以看到：
redis_2:6379> set hello world (error) CLUSTERDOWN Hash slot not served
通過cluster info 命令可以獲取集羣當前狀態：
redis_2:6379> cluster info cluster_state:fail cluster_slots_assigned:0 cluster_slots_ok:0 cluster_slots_pfail:0 cluster_slots_fail:0 cluster_known_nodes:6 cluster_size:0 cluster_current_epoch:5 cluster_my_epoch:2 cluster_stats_messages_ping_sent:315 cluster_stats_messages_pong_sent:314 cluster_stats_messages_meet_sent:3 cluster_stats_messages_sent:632 cluster_stats_messages_ping_received:312 cluster_stats_messages_pong_received:318 cluster_stats_messages_meet_received:2 cluster_stats_messages_received:632
從輸出內容可以看到，被分配的槽(cluster_slots_assigned)是0，由於目前所有的槽沒有分配節點，因此集羣無法完成槽到節點的映射。只有當16384個槽全部分配給節點後，集羣才進入在線狀態。
分配槽
Redis集羣把所有的數據映射到16384個槽中。每個key會映射爲一個固定的槽，只有當節點分配了槽，才響應和這些槽相關聯的鍵命令。通過cluster addslots命令爲節點分配槽。這些利用bash特性批量設置槽(slots)，命令如下：
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_1 -p 6379 cluster addslots {0..5461}
OK
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_2 -p 6379 cluster addslots {5462..10922}
OK
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_3 -p 6379 cluster addslots {10923..16383}
OK把16384個slot平均分配給redis_1/2/3的6379三個節點。執行cluster info查看集羣狀態如下所示：
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_2 -p 6379 cluster info cluster_state:ok cluster_slots_assigned:16384 cluster_slots_ok:16384 cluster_slots_pfail:0 cluster_slots_fail:0 cluster_known_nodes:6 cluster_size:3 cluster_current_epoch:5 cluster_my_epoch:2 cluster_stats_messages_ping_sent:1062 cluster_stats_messages_pong_sent:1067 cluster_stats_messages_meet_sent:3 cluster_stats_messages_sent:2132 cluster_stats_messages_ping_received:1065 cluster_stats_messages_pong_received:1065 cluster_stats_messages_meet_received:2 cluster_stats_messages_received:2132
當前集羣狀態是OK，集羣進入在線狀態。所有的槽都已經分配給節點，執行cluster nodes命令可以看到節點和槽的分配關係：
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_2 -p 6379 cluster nodes a85bbb17a3f559d18d7f5059f14ffd9f6ba48ee1 192.168.56.121:6379@16379 myself,master - 0 1554441448000 2 connected 5462-10922 ceaf2ccb751978b7334ddeca474da3d6b7aac99b 192.168.56.120:6379@16379 master - 0 1554441448455 5 connected 0-5461 ca4f05809dc9a9eda4292a33b994b4e2aab13033 192.168.56.121:6380@16380 master - 0 1554441449000 3 connected 383261e3f0053f74c953bd07ceee36a4b5795bc3 192.168.56.120:6380@16380 master - 0 1554441450000 1 connected d54639285709a65bb8ca331f26d4fe1b1c8c73ca 192.168.56.122:6380@16380 master - 0 1554441450491 0 connected 275753d11365feabb366170b940bca4b8486bbd7 192.168.56.122:6379@16379 master - 0 1554441449470 4 connected 10923-16383
目前還有三個節點沒有使用，作爲一個完整的集羣，每個負責處理槽的節點應該具有從節點，保證當它出現故障時可以自動進行故障轉移。集羣模式下，Redis節點角色分爲主節點和從節點。首次啓動的節點和被分配槽的節點都是主節點，從節點負責複製主節點槽信息和相關的數據。使用cluster replicate {nodeID}命令讓一個節點成爲從節點。其中命令執行必須在對應的從節點上執行，nodeID是要複製主節點的節點ID，命令如下：
[redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_1 -p 6380 cluster replicate a85bbb17a3f559d18d7f5059f14ffd9f6ba48ee1 OK [redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_2 -p 6380 cluster replicate 275753d11365feabb366170b940bca4b8486bbd7 OK [redis@redis_1 ~]$ redis-cli -h redis_3 -p 6380 cluster replicate ceaf2ccb751978b7334ddeca474da3d6b7aac99b OK
複製(replication)完成後，整個集羣的結構如圖
到此爲止，我們依照Redis協議手動建立一個集羣。它由6個節點構成，3個主節點負責處理槽和相關數據，3個從節點負責故障轉移。
博文內容主要參考《Redis開發與運維》一書。