详解Redis的集群模式（主从复制、哨兵与Cluster）

一、主从复制 (Master-Slave Replication)

1. 基本概念

主从复制是Redis最简单的集群模式，由一个主节点(Master)和一个或多个从节点(Slave)组成。

2. 工作原理

• 数据同步：从节点启动时会向主节点发送SYNC命令，主节点执行BGSAVE生成RDB文件并发送给从节点

• 命令传播：主节点将写命令持续发送给从节点，保持数据同步

• 全量/增量同步：初次连接为全量同步，断线重连后可能使用增量同步(PSYNC)

3. 优缺点

• 优点：

  • 读写分离，提高读性能

  • 数据冗余，提高数据安全性

  • 故障恢复相对简单

• 缺点：

  • 主节点故障需要手动切换

  • 写操作仍然集中在主节点

  • 全量同步时网络开销大

二、哨兵模式 (Sentinel)

1. 基本概念

哨兵是Redis的高可用解决方案，由一个或多个哨兵节点监控主从集群，实现自动故障转移。

2. 核心功能

• 监控：持续检查主从节点是否正常运行

• 通知：当被监控节点出现问题时，向管理员发送警报

• 自动故障转移：主节点故障时，自动将一个从节点升级为主节点

• 配置提供者：为客户端提供最新的主节点地址

3. 工作原理

3.1. 监控机制

每个哨兵节点会：

• 每秒一次向所有主从节点和其他哨兵节点发送PING命令

• 如果实例在配置的down-after-milliseconds时间内没有有效回复，该实例会被标记为"主观下线"(SDOWN)

• 当足够数量的哨兵(通常需要quorum数量)都将主节点标记为"主观下线"时，主节点会被标记为"客观下线"(ODOWN)

3.2. 故障转移流程

• 选举领头哨兵: 当主节点被判定为客观下线时，哨兵节点会通过Raft算法选举出一个领头哨兵(leader)来负责故障转移

• 选择新主节点: 领头哨兵会根据以下规则从从节点中选择新的主节点：

  • 优先级高的(由slave-priority配置)

  • 复制偏移量大的

  • 运行ID小的

• 提升新主节点: 将选中的从节点提升为主节点

• 重新配置从节点: 让其他从节点改为复制新的主节点

• 通知客户端: 通知客户端主节点已变更

• 旧主节点处理: 如果旧主节点重新上线，会被配置为新主节点的从节点

4. 优缺点

• 优点：

  • 自动故障转移，提高可用性

  • 监控功能完善

  • 配置管理自动化

• 缺点：

  • 写操作仍然单点

  • 故障转移期间可能出现数据丢失

  • 集群规模较大时管理复杂

三、Cluster集群模式

1. 基本概念

Redis Cluster是Redis的分布式解决方案，通过数据分片(Sharding)实现水平扩展。

2. 核心特性

• 数据分片：使用哈希槽(16384个slot)分配数据

• 高可用：每个分片有主从复制

• 去中心化：节点间通过Gossip协议通信

3. 工作原理

3.1. 哈希槽分配

• 当集群启动时，所有哈希槽（0-16383）需要被分配到各个节点上。每个节点负责存储分配给它的哈希槽中的键值对。

• 例如，一个包含6个节点的集群，可以将哈希槽分配如下：

  • 节点1：0-5460

  • 节点2：5461-10922

  • 节点3：10923-16383

  • 节点4、5、6作为从节点，分别复制节点1、2、3的数据。

3.2. 数据访问

• 客户端在访问集群时，需要通过哈希槽来定位数据所在的节点。客户端会根据键的哈希值计算出对应的哈希槽，然后根据哈希槽的分配情况找到对应的节点。

• 如果客户端访问的键所在的节点发生故障，客户端会自动重试，直到找到新的主节点。

3.2. 故障转移

• Gossip协议

  • 节点间通过TCP端口（默认集群端口=客户端端口+10000）通信

  • 每秒随机选择几个节点进行PING/PONG消息交换

  • 包含的集群元数据：

    • 节点列表和角色

    • 槽位分配信息

    • 节点状态（正常/疑似下线/已下线）

• 故障检测

  • 节点A标记节点B为"疑似下线"(PFAIL)

  • 通过Gossip协议传播状态

  • 当多数主节点确认B下线，标记为"已下线"(FAIL)

  • 触发故障转移

3.2. 数据迁移

• 在集群运行过程中，如果需要对哈希槽进行重新分配（例如添加或移除节点），Redis集群支持在线迁移。

• 数据迁移过程是逐步进行的，不会阻塞集群的正常运行。迁移完成后，哈希槽的分配会更新，客户端会根据新的分配情况访问数据。

4. 优缺点 

• 优点：

  • 真正的分布式，支持水平扩展

  • 部分节点故障不影响整体服务

  • 自动故障转移

• 缺点：

  • 不支持多数据库（只能使用db0）

  • 批量操作受限（需所有key在同一slot）

  • 事务限制（所有key必须在同一节点）

  • 迁移大key可能影响性能

四、三种模式对比

五、选择建议

1. 主从复制：适合读多写少，对可用性要求不高的场景

2. 哨兵模式：需要高可用且数据量不大的场景

3. Cluster集群：数据量大、需要水平扩展和高可用的场景

实际生产中，Redis Cluster是当前最推荐的集群方案，特别是对于大规模部署。