(原创)2016-07-26 吴建超 高可用架构
导读：Redis Cluster 作者建议的最大集群规模 1,000 节点，目前优酷在蓝鲸项目中管理了超过 700 台节点，积累了 Redis Cluster 大量宝贵经验，本文从 Redis Cluster 的工作原理出发，提出了管理 Redis 超大集群几点行之有效的优化方法。
吴建超，优酷土豆广告基础平台开发工程师，对互联网基础产品及大数据产品有兴趣。
在优酷，我们使用 Redis Cluster 构建了一套内存存储系统，项目代号为蓝鲸。蓝鲸的设计目标是高效读写，所有数据都在内存中。蓝鲸的主要应用场景是 cookie 和大数据团队计算的数据，都具有较强的时效性，因此所有的数据都有过期时间。更准确的说蓝鲸是一个全内存的临时存储系统。
到目前为止集群规模逐渐增长到 700+ 节点，即将达到作者建议的最大集群规模 1,000 节点。我们发现随着集群规模的扩大，带宽压力不断突出，并且响应时间 RT 方面也会略微升高。与一致性哈希构建的 Redis 集群不一样，Redis Cluster 不能做成超大规模的集群，它比较适合作为中等规模集群的解决方案。
运维期间，吞吐量与 RT 一直作为衡量集群稳定性的重要指标，这里在本文中，我们碰到的影响集群吞吐量与 RT 的一些问题与探索记录下来，希望对大家有所帮助。
Redis Cluster 工作原理
Redis 采用单进程模型，除去 bgsave 与 aof rewrite 会另外新建进程外，所有的请求与操作都在主进程内完成。其中比较重量级的请求与操作类型有：
客户端请求
集群通讯
从节同步
AOF 文件
其它定时任务
Redis 服务端采用 Reactor 设计模式，它是一种基于事件的编程模型，主要思想是将请求的处理流程划分成有序的事件序列，比如对于网络请求通常划分为：Accept new connections、Read input to buffer、Process request、 Response 等几个事件。并在一个无限循环的 EventLoop 中不断的处理这些事件。更多关于Reactor，请参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Reactor 。
比较特别的是，Redis 中还存在一种时间事件，它其实是定时任务，与请求事件一样，它同样在 EventLoop 中处理。Redis 主线程的主要处理流程如下图：
理解了 Redis 的单进程模型与主要负载情况，很容易明白，想要增加 Redis 吞吐量，只需要尽量降低其它任务的负载量就行了，所以提高 Redis 集群吞吐量的方式主要有：
提高 Redis 集群吞吐的方法
1. 适当调大 cluster-node-timeout 参数
我们发现当集群规模达到一定程度时，集群间消息通讯开销的带宽是极其可观的。
集群通信机制
Redis 集群采用无中心的方式，为了维护集群状态统一，节点之间需要互相交换消息。Redis采用交换消息的方式被称为 Gossip ，基本思想是节点之间互相交换信息最终所有节点达到一致，更多关于 Gossip 可参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Gossip_protocol 。
总结集群通信机制的一些要点：
- Who：集群中每个节点
- When：定时发送，默认每隔一秒
- What：一个长度为 16,384 的 Bitmap 与集群中其它节点状态的十分之一
如何理解集群中节点状态的十分之一？假如集群中有 700 个节点，十分之一就是 70 个节点状态，节点状态具体数据结构见下边代码：
我们将注意力放在数据包大小与流量上，每个节点状态大小为 104 byte，所以对于 700 个节点的集群，这部分消息的大小为 70 * 104 = 7280，大约为 7KB。另外每个 Gossip 消息还需要携带一个长度为 16,384 的 Bitmap，大小为 2KB，所以每个 Gossip 消息大小大约为 9KB。
随着集群规模的不断扩大，每台主机的流量不断增长，我们怀疑集群间通信的流量已经大于前端请求产生的流量，所以做了以下实验以明确集群流量状况。
实验过程
实验环境为：节点 704，物理主机 40 台，每台物理主机有 16 个节点，集群采用一主一从模式，集群中节点 cluster-node-timeout 设置为 30 秒。
实验的大概思路为，分别截取一分钟时间内一个节点，在集群通信端口上，进入方向与出去方向的流量，并统计出消息条数，并最终计算出台主机因为集群间通讯产生的带宽开销。实验具体过程如下：
通过实验能看到进入方向与出去方向在 60s 内收到的数据包数量为 2,700 多个。因为 Redis 规定每个节点每一秒只向一个节点发送数据包，所以正常情况每个节点平均 60s 会收到 60 个数据包，为什么会有这么大的差距？
原来考虑到 Redis 发送对象节点的选取是随机的，所以存在两个节点很久都没有交换消息的情况，为了保证集群状态能在较短时间内达到一致性，Redis 规定当两个节点超过 cluster-node-timeout 的一半时间没有交换消息时，下次心跳交换消息。
解决了这个疑惑，接下来看带宽情况。先看 Redis Cluster 集群通信端口进入方向每台主机的每秒带宽为：
再看 Redis Cluster 集群通信端口出去方向每台主机的每秒带宽为：
所以每台主机进入方向的带宽为：
为什么需要加和
我们以节点 A 主动与节点 B 发生消息交换为例进行说明，交换过程如下图：
首先 A 随机一个端口向节点 B 的集群通讯端 17,380 发送 PING 消息，之后节点 B 通过 17,380 端口向节点 A 发送 PONG 消息，PONG 消息的内容与 PING 消息的内容相似，每个消息的大小也一样（9KB）。同理当节点 B 主动与节点 A 发生消息交换时也是同样的过程。
可以看出对于节点 A 进入方向的带宽不仅包含集群通讯端口的还包含随机端口的带宽。而对于节点 A 进入方向随机端口的带宽，正是其它节点出去方向的带宽。所以每台主机进入方向的带宽为上边公式计算的加和。同理出去方带宽与进入方带宽一样为 107.5MBit / s。
cluster-node-timeout 对带宽的影响
集群中每台主机的带宽状况如下图：
集群带宽图
每台主机的进出口带宽都大概在 150MBit / s 左右，其中集群通信带宽占 107.5MBit / s，所以前端请求的带宽占用大概为 45MBit / s。再来看当把 cluster-node-timeout 从 20s 调整到 30s 时，主机的带宽变化情况：
从图中，可以看到带宽下降 50MBit / s，效果非常明显。
经过以上实验我们能得出两个结论：
集群间通信占用大量带宽资源
调整 cluster-node-timeout 参数能有效降低带宽
Redis Cluster 判定节点为 fail 的机制
但是并不是 cluster-node-timeout 越大越好。当 cluster-node-timeou 增大的时候集群判断节点 fail 的时间会增加，从而 failover 的时间窗口会增加。集群判定节点为fail所需时间的计算公式如下：
当节点向失败节点发出 PING 消息，并且在 cluster-node-timeout 时间内还没有收到失败节点的 PONG 消息，此时判定它为 pfail 。pfail 即部分失败，它是一种中间状态，该状态随着集群心跳不断传播。再经过一半 cluster-node-timeout 时间后，所有节点都与失败的节点发生过心跳并且把它标记为 pfail 。当然也可能不需要这么长时间，因为其它节点之间的心跳同样会传递 pfail 状态，这里姑且以最大时间计算。
Redis Cluster 规定当集群中超过一半以上节点认为一个节点为 pfail 状态时，会把它标记为 fail 状态，并广播给其他所有节点。对于每个节点而言平均一秒钟收到一个心跳包，每次心跳都会携带随机的十分之一的节点个数。所以现在问题抽像为经过多长时间一个节点会积累到一半的 pfail 状态数。这是一个概率问题，因为个人并不擅长概率计算，这里直接取了一个较大概率能满足条件的数值 10。
所以上述公式不是达到这么长时间一定会判定节点为 fail，而是经过这么长时间集群有很大概率会判定节点 fail 。
Redis Cluster 默认 cluster-node-timeout 为 15s，我们将它设置成了 30s。也就是说 700 节点的集群，集群间带宽开销为 104.5MBit / s，判定节点失败时间窗口大概为 55s，实际上大多数情况都小于 55s，因为上边的计算都是按照高位时间估算的。
总而言之，对于大的 Redis 集群 cluster-node-timeout 参数的需要谨慎设定。
提高 Redis 集群吞吐的方法
2. 控制主节点写命令传播
Redis 中主节点的每个写命令传播到以下三个地方：
本地 AOF 文件，以持久化持数据
主节点的所有从节点，以保持主从数据同步
本节点的 repl_backlog 缓存，主要为了支持部分同步功能，详见官网 Replcation 文档 Partial resynchronization 部分：http://redis.io/topics/replication
其中 repl_backlog 部分传播在 replicationFeedSlaves 函数中完成。
减少从节点的数量
高可用的集群不应该出现单点，所以 Redis 集群一般都会是主从模式。Redis 的主从同步机制是所有的主节点的写请求，会同步到所有的从节点。如果没有从节点，对于主节点来说，它只需要处理该请求即可。但对于有 N 个从节点的主节点来说，它需要额外的将请求传播给 N 个从节点。请注意这里是对于每个写请求都会这样处理。显而易见从节点的数量对主节点的吞吐量的影响是比较大的，我们采用的是一主一从模式。
因为从节点不需要同步数据，生产环境中观察主节点的 CPU 占用率要比从节点机器要高，这对这条结论起到了佐证的作用。
关闭 AOF 功能
如果开启 AOF 功能，每个写请求都会 Append 到本地 AOF 文件中，虽然 Linux 中写文件操作会利用到操作系统缓存机制，但是如果关闭 AOF 功能主线程中省去了写 AOF 文件的操作，显然会对吞吐量的增加有帮助。
AOF 是 Redis 的一种持久化方式，如果关闭了 AOF 功能怎么保证数据的安全性。我们的做法是定时在从节点 BGSAVE。当然具体采用何种策略需要结合具体情况来决定。
去掉频繁的 Cluster nodes 命令
在运维过程中发现前端请求的平均 RT 增加不少，大概 50% 左右。通过一番调研，发现是频繁的 cluster nodes 命令导致。
当时集群规模为 500+ 节点，cluster nodes 命令返回的结果大小有 103KB。cluster nodes 命令的频率为：每隔 20s 向集群所有节点发送。
提高 Redis 集群吞吐的方法
3. 调优 hz 参数
Redis 会定时做一些任务，任务频率由 hz 参数规定，定时任务主要包含：
主动清除过期数据
对数据库进行渐式Rehash
处理客户端超时
更新请求统计信息
发送集群心跳包
发送主从心跳
以下是作者对于 hz 参数的介绍：
我们没有修改 hz 参数的经验，由于其复杂性，并且在 hz 默认值 10 的情况下，理论上不会对 Redis 吞吐量产生太大影响，建议没有经验的情况下不要修改该参数。
参考资料
关于 Redis Cluster 可以参考官方的两篇文档：
Redis cluster tutorial: http://www.redis.io/topics/cluster-tutorial
Redis Cluster specification: http://www.redis.io/topics/cluster-spec