Redis 讀寫分離技術(shù)架構(gòu)解析
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作者 | 小熱愛(ài)
Redis 不管主從版還是集群規(guī)格，replica作為備庫(kù)不對(duì)外提供服務(wù)，只有在發(fā)生HA的時(shí)候，replica提升為master后才承擔(dān)讀寫流量。這種架構(gòu)讀寫請(qǐng)求都在master上完成，一致性較高，但性能受到master數(shù)量的限制。經(jīng)常有用戶數(shù)據(jù)較少，但因?yàn)榱髁炕蛘卟l(fā)太高而不得不升級(jí)到更大的集群規(guī)格。
為滿足讀多寫少的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最大化節(jié)約用戶成本，云數(shù)據(jù)庫(kù)Redis版推出了讀寫分離規(guī)格，為用戶提供透明、高可用、高性能、高靈活的讀寫分離服務(wù)
架構(gòu)
Redis集群模式有redis-proxy、master、replica、HA等幾個(gè)角色。在讀寫分離實(shí)例中，新增read-only replica角色來(lái)承擔(dān)讀流量，replica作為熱備不提供服務(wù)，架構(gòu)上保持對(duì)現(xiàn)有集群規(guī)格的兼容性。redis-proxy按權(quán)重將讀寫請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到master或者某個(gè)read-only replica上；HA負(fù)責(zé)監(jiān)控DB節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)，異常時(shí)發(fā)起主從切換或重搭read-only replica，并更新路由。
一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)master和read-only replica的數(shù)據(jù)同步方式，可以分為兩種架構(gòu)：星型復(fù)制和鏈?zhǔn)綇?fù)制。
星型復(fù)制
星型復(fù)制就是將所有的read-only replica直接和master保持同步，每個(gè)read-only replica之間相互獨(dú)立，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)異常不影響到其他節(jié)點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)閺?fù)制鏈比較短，read-only replica上的復(fù)制延遲比較小。
Redis是單進(jìn)程單線程模型，主從之間的數(shù)據(jù)復(fù)制也在主線程中處理，read-only replica數(shù)量越多，數(shù)據(jù)同步對(duì)master的CPU消耗就越嚴(yán)重，集群的寫入性能會(huì)隨著read-only replica的增加而降低。此外，星型架構(gòu)會(huì)讓master的出口帶寬隨著read-only replica的增加而成倍增長(zhǎng)。Master上較高的CPU和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會(huì)抵消掉星型復(fù)制延遲較低的優(yōu)勢(shì)，因此，星型復(fù)制架構(gòu)會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的擴(kuò)展問(wèn)題，整個(gè)集群的性能會(huì)受限于master。
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鏈?zhǔn)綇?fù)制
鏈?zhǔn)綇?fù)制將所有的read-only replica組織成一個(gè)復(fù)制鏈，如下圖所示，master只需要將數(shù)據(jù)同步給replica和復(fù)制鏈上的第一個(gè)read-only replica。
鏈?zhǔn)綇?fù)制解決了星型復(fù)制的擴(kuò)展問(wèn)題，理論上可以無(wú)限增加read-only replica的數(shù)量，隨著節(jié)點(diǎn)的增加整個(gè)集群的性能也可以基本上呈線性增長(zhǎng)。
鏈?zhǔn)綇?fù)制的架構(gòu)下，復(fù)制鏈越長(zhǎng)，復(fù)制鏈末端的read-only replica和master之間的同步延遲就越大，考慮到讀寫分離主要使用在對(duì)一致性要求不高的場(chǎng)景下，這個(gè)缺點(diǎn)一般可以接受。但是如果復(fù)制鏈中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)異常，會(huì)導(dǎo)致下游的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都會(huì)大幅滯后。更加嚴(yán)重的是這可能帶來(lái)全量同步，并且全量同步將一直傳遞到復(fù)制鏈的末端，這會(huì)對(duì)服務(wù)帶來(lái)一定的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，讀寫分離的Redis都使用阿里云優(yōu)化后的binlog復(fù)制版本，最大程度的降低全量同步的概率。
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Redis 讀寫分離優(yōu)勢(shì)
透明兼容
讀寫分離和普通集群規(guī)格一樣，都使用了redis-proxy做請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)，多分片令使用存在一定的限制，但從主從升級(jí)單分片讀寫分離，或者從集群升級(jí)到多分片的讀寫分離集群可以做到完全兼容。
用戶和redis-proxy建立連接，redis-proxy會(huì)識(shí)別出客戶端連接發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求是讀還是寫，然后按照權(quán)重作負(fù)載均衡，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到后端不同的DB節(jié)點(diǎn)中，寫請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給master，讀操作轉(zhuǎn)發(fā)給read-only replica（master默認(rèn)也提供讀，可以通過(guò)權(quán)重控制）。
用戶只需要購(gòu)買讀寫分離規(guī)格的實(shí)例，直接使用任何客戶端即可直接使用，業(yè)務(wù)不用做任何修改就可以開(kāi)始享受讀寫分離服務(wù)帶來(lái)的巨大性能提升，接入成本幾乎為0。
高可用
高可用模塊（HA）監(jiān)控所有DB節(jié)點(diǎn)的健康狀態(tài)，為整個(gè)實(shí)例的可用性保駕護(hù)航。master宕機(jī)時(shí)自動(dòng)切換到新主。如果某個(gè)read-only replica宕機(jī)，HA也能及時(shí)感知，然后重搭一個(gè)新的read-only replica，下線宕機(jī)節(jié)點(diǎn)。
除HA之外，redis-proxy也能實(shí)時(shí)感知每個(gè)read-only replica的狀態(tài)。在某個(gè)read-only replica異常期間，redis-proxy會(huì)自動(dòng)降低這個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)read-only replica連續(xù)失敗超過(guò)一定次數(shù)以后，會(huì)暫時(shí)屏蔽異常節(jié)點(diǎn)，直到異常消失以后才會(huì)恢復(fù)其正常權(quán)重。
redis-proxy和HA一起做到盡量減少業(yè)務(wù)對(duì)后端異常的感知，提高服務(wù)可用性。
高性能
對(duì)于讀多寫少的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，直接使用集群版本往往不是最合適的方案，現(xiàn)在讀寫分離提供了更多的選擇，業(yè)務(wù)可以根據(jù)場(chǎng)景選擇最適合的規(guī)格，充分利用每一個(gè)read-only replica的資源。
目前單shard對(duì)外售賣1 master + 1/3/5 read-only replica多種規(guī)格（如果有更大的需求可以提工單反饋），提供60萬(wàn)QPS和192 MB/s的服務(wù)能力，在完全兼容所有命令的情況下突破單機(jī)的資源限制。后續(xù)將去掉規(guī)格限制，讓用戶根據(jù)業(yè)務(wù)流量隨時(shí)自由的增加或減少read-only replica數(shù)量。
Redis主從異步復(fù)制，從read-only replica中可能讀到舊的數(shù)據(jù)，使用讀寫分離需要業(yè)務(wù)可以容忍一定程度的數(shù)據(jù)不一致，后續(xù)將會(huì)給客戶更靈活的配置和更大的自由，例如配置可以容忍的最大延遲時(shí)間。
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