一萬(wàn)字詳解 Redis Cluster Gossip 協(xié)議

大家好，我是歷小冰，今天來(lái)講一下 Reids Cluster 的 Gossip 協(xié)議和集群操作，文章的思維導(dǎo)圖如下所示。

集群模式和 Gossip 簡(jiǎn)介

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，當(dāng)數(shù)據(jù)量或者請(qǐng)求流量大到一定程度后，就必然會(huì)引入分布式。比如 Redis，雖然其單機(jī)性能十分優(yōu)秀，但是因?yàn)橄铝性驎r(shí)，也不得不引入集群。

• 單機(jī)無(wú)法保證高可用，需要引入多實(shí)例來(lái)提供高可用性
• 單機(jī)能夠提供高達(dá) 8W 左右的QPS，再高的QPS則需要引入多實(shí)例
• 單機(jī)能夠支持的數(shù)據(jù)量有限，處理更多的數(shù)據(jù)需要引入多實(shí)例；
• 單機(jī)所處理的網(wǎng)絡(luò)流量已經(jīng)超過服務(wù)器的網(wǎng)卡的上限值，需要引入多實(shí)例來(lái)分流。

有集群，集群往往需要維護(hù)一定的元數(shù)據(jù)，比如實(shí)例的ip地址，緩存分片的 slots 信息等，所以需要一套分布式機(jī)制來(lái)維護(hù)元數(shù)據(jù)的一致性。這類機(jī)制一般有兩個(gè)模式：分散式和集中式

分散式機(jī)制將元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在部分或者所有節(jié)點(diǎn)上，不同節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行不斷的通信來(lái)維護(hù)元數(shù)據(jù)的變更和一致性。Redis Cluster，Consul 等都是該模式。

分散式的元數(shù)據(jù)模式有多種可選的算法進(jìn)行元數(shù)據(jù)的同步，比如說 Paxos、Raft 和 Gossip。Paxos 和 Raft 等都需要全部節(jié)點(diǎn)或者大多數(shù)節(jié)點(diǎn)(超過一半)正常運(yùn)行，整個(gè)集群才能穩(wěn)定運(yùn)行，而 Gossip 則不需要半數(shù)以上的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。

Gossip 協(xié)議，顧名思義，就像流言蜚語(yǔ)一樣，利用一種隨機(jī)、帶有傳染性的方式，將信息傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，并在一定時(shí)間內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一致。對(duì)你來(lái)說，掌握這個(gè)協(xié)議不僅能很好地理解這種最常用的，實(shí)現(xiàn)最終一致性的算法，也能在后續(xù)工作中得心應(yīng)手地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終一致性。

Gossip 協(xié)議又稱 epidemic 協(xié)議（epidemic protocol），是基于流行病傳播方式的節(jié)點(diǎn)或者進(jìn)程之間信息交換的協(xié)議，在P2P網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它的方法論也特別簡(jiǎn)單：

在一個(gè)處于有界網(wǎng)絡(luò)的集群里，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都隨機(jī)與其他節(jié)點(diǎn)交換特定信息，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，集群各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)該份信息的認(rèn)知終將收斂到一致。

這里的“特定信息”一般就是指集群狀態(tài)、各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)以及其他元數(shù)據(jù)等。Gossip協(xié)議是完全符合 BASE 原則，可以用在任何要求最終一致性的領(lǐng)域，比如分布式存儲(chǔ)和注冊(cè)中心。另外，它可以很方便地實(shí)現(xiàn)彈性集群，允許節(jié)點(diǎn)隨時(shí)上下線，提供快捷的失敗檢測(cè)和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡等。

此外，Gossip 協(xié)議的最大的好處是，即使集群節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載也不會(huì)增加很多，幾乎是恒定的。這就允許 Redis Cluster 或者 Consul 集群管理的節(jié)點(diǎn)規(guī)模能橫向擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)。

Redis Cluster 的 Gossip 通信機(jī)制

Redis Cluster 是在 3.0 版本引入集群功能。為了讓讓集群中的每個(gè)實(shí)例都知道其他所有實(shí)例的狀態(tài)信息，Redis 集群規(guī)定各個(gè)實(shí)例之間按照 Gossip 協(xié)議來(lái)通信傳遞信息。

Redis Cluster 中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一份自己視角下的當(dāng)前整個(gè)集群的狀態(tài)，主要包括：

1. 當(dāng)前集群狀態(tài)
2. 集群中各節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的 slots信息，及其migrate狀態(tài)
3. 集群中各節(jié)點(diǎn)的master-slave狀態(tài)
4. 集群中各節(jié)點(diǎn)的存活狀態(tài)及懷疑Fail狀態(tài)

也就是說上面的信息，就是集群中Node相互八卦傳播流言蜚語(yǔ)的內(nèi)容主題，而且比較全面，既有自己的更有別人的，這么一來(lái)大家都相互傳，最終信息就全面而且一致了。

Redis Cluster 的節(jié)點(diǎn)之間會(huì)相互發(fā)送多種消息，較為重要的如下所示：

• MEET：通過「cluster meet ip port」命令，已有集群的節(jié)點(diǎn)會(huì)向新的節(jié)點(diǎn)發(fā)送邀請(qǐng)，加入現(xiàn)有集群，然后新節(jié)點(diǎn)就會(huì)開始與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；
• PING：節(jié)點(diǎn)按照配置的時(shí)間間隔向集群中其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ping 消息，消息中帶有自己的狀態(tài)，還有自己維護(hù)的集群元數(shù)據(jù)，和部分其他節(jié)點(diǎn)的元數(shù)據(jù)；
• PONG: ?節(jié)點(diǎn)用于回應(yīng) PING 和 MEET 的消息，結(jié)構(gòu)和 PING 消息類似，也包含自己的狀態(tài)和其他信息，也可以用于信息廣播和更新；
• FAIL: 節(jié)點(diǎn) PING 不通某節(jié)點(diǎn)后，會(huì)向集群所有節(jié)點(diǎn)廣播該節(jié)點(diǎn)掛掉的消息。其他節(jié)點(diǎn)收到消息后標(biāo)記已下線。

Redis 的源碼中 cluster.h 文件定義了全部的消息類型，代碼為 redis 4.0版本。

//?注意，PING 、 PONG 和 MEET 實(shí)際上是同一種消息。
//?PONG?是對(duì)?PING?的回復(fù)，它的實(shí)際格式也為?PING?消息，
//?而?MEET?則是一種特殊的?PING?消息，用于強(qiáng)制消息的接收者將消息的發(fā)送者添加到集群中（如果節(jié)點(diǎn)尚未在節(jié)點(diǎn)列表中的話）
#define?CLUSTERMSG_TYPE_PING?0??????????/*?Ping?消息?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_PONG?1??????????/*?Pong?用于回復(fù)Ping?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_MEET?2??????????/*?Meet?請(qǐng)求將某個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到集群中?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_FAIL?3??????????/*?Fail?將某個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為?FAIL?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_PUBLISH?4???????/*?通過發(fā)布與訂閱功能廣播消息?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_FAILOVER_AUTH_REQUEST?5?/*?請(qǐng)求進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移操作，要求消息的接收者通過投票來(lái)支持消息的發(fā)送者?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_FAILOVER_AUTH_ACK?6?????/*?消息的接收者同意向消息的發(fā)送者投票?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_UPDATE?7????????/*?slots?已經(jīng)發(fā)生變化，消息發(fā)送者要求消息接收者進(jìn)行相應(yīng)的更新?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_MFSTART?8???????/*?為了進(jìn)行手動(dòng)故障轉(zhuǎn)移，暫停各個(gè)客戶端?*/
#define?CLUSTERMSG_TYPE_COUNT?9?????????/*?消息總數(shù)?*/

通過上述這些消息，集群中的每一個(gè)實(shí)例都能獲得其它所有實(shí)例的狀態(tài)信息。這樣一來(lái)，即使有新節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)故障、Slot 變更等事件發(fā)生，實(shí)例間也可以通過 PING、PONG 消息的傳遞，完成集群狀態(tài)在每個(gè)實(shí)例上的同步。下面，我們依次來(lái)看看幾種常見的場(chǎng)景。

定時(shí) PING/PONG 消息

Redis Cluster 中的節(jié)點(diǎn)都會(huì)定時(shí)地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送 PING 消息，來(lái)交換各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，檢查各個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，包括在線狀態(tài)、疑似下線狀態(tài) PFAIL 和已下線狀態(tài) FAIL。

Redis 集群的定時(shí) PING/PONG 的工作原理可以概括成兩點(diǎn)：

• 一是，每個(gè)實(shí)例之間會(huì)按照一定的頻率，從集群中隨機(jī)挑選一些實(shí)例，把 PING 消息發(fā)送給挑選出來(lái)的實(shí)例，用來(lái)檢測(cè)這些實(shí)例是否在線，并交換彼此的狀態(tài)信息。PING 消息中封裝了發(fā)送消息的實(shí)例自身的狀態(tài)信息、部分其它實(shí)例的狀態(tài)信息，以及 Slot 映射表。
• 二是，一個(gè)實(shí)例在接收到 PING 消息后，會(huì)給發(fā)送 PING 消息的實(shí)例，發(fā)送一個(gè) PONG 消息。PONG 消息包含的內(nèi)容和 PING 消息一樣。

下圖顯示了兩個(gè)實(shí)例間進(jìn)行 PING、PONG 消息傳遞的情況，其中實(shí)例一為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，實(shí)例二是接收節(jié)點(diǎn)

新節(jié)點(diǎn)上線

Redis Cluster 加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，客戶端需要執(zhí)行 CLUSTER MEET 命令，如下圖所示。

節(jié)點(diǎn)一在執(zhí)行 CLUSTER MEET 命令時(shí)會(huì)首先為新節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè) clusterNode 數(shù)據(jù)，并將其添加到自己維護(hù)的 clusterState 的 nodes 字典中。有關(guān) clusterState 和 clusterNode 關(guān)系，我們?cè)谧詈笠还?jié)會(huì)有詳盡的示意圖和源碼來(lái)講解。

然后節(jié)點(diǎn)一會(huì)根據(jù)據(jù) CLUSTER MEET 命令中的 IP 地址和端口號(hào)，向新節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條 MEET 消息。新節(jié)點(diǎn)接收到節(jié)點(diǎn)一發(fā)送的MEET消息后，新節(jié)點(diǎn)也會(huì)為節(jié)點(diǎn)一創(chuàng)建一個(gè) clusterNode 結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)添加到自己維護(hù)的 clusterState 的 nodes 字典中。

接著，新節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)一返回一條PONG消息。節(jié)點(diǎn)一接收到節(jié)點(diǎn)B返回的PONG消息后，得知新節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成功的接收了自己發(fā)送的MEET消息。

最后，節(jié)點(diǎn)一還會(huì)向新節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條 PING 消息。新節(jié)點(diǎn)接收到該條 PING 消息后，可以知道節(jié)點(diǎn)A已經(jīng)成功的接收到了自己返回的P ONG消息，從而完成了新節(jié)點(diǎn)接入的握手操作。

MEET 操作成功之后，節(jié)點(diǎn)一會(huì)通過稍早時(shí)講的定時(shí) PING 機(jī)制將新節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給集群中的其他節(jié)點(diǎn)，讓其他節(jié)點(diǎn)也與新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手，最終，經(jīng)過一段時(shí)間后，新節(jié)點(diǎn)會(huì)被集群中的所有節(jié)點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

節(jié)點(diǎn)疑似下線和真正下線

Redis Cluster 中的節(jié)點(diǎn)會(huì)定期檢查已經(jīng)發(fā)送 PING 消息的接收方節(jié)點(diǎn)是否在規(guī)定時(shí)間 ( cluster-node-timeout ) 內(nèi)返回了 PONG 消息，如果沒有則會(huì)將其標(biāo)記為疑似下線狀態(tài)，也就是 PFAIL 狀態(tài)，如下圖所示。

然后，節(jié)點(diǎn)一會(huì)通過 PING 消息，將節(jié)點(diǎn)二處于疑似下線狀態(tài)的信息傳遞給其他節(jié)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)三。節(jié)點(diǎn)三接收到節(jié)點(diǎn)一的 PING 消息得知節(jié)點(diǎn)二進(jìn)入 PFAIL 狀態(tài)后，會(huì)在自己維護(hù)的 clusterState 的 nodes 字典中找到節(jié)點(diǎn)二所對(duì)應(yīng)的 clusterNode 結(jié)構(gòu)，并將主節(jié)點(diǎn)一的下線報(bào)告添加到 clusterNode 結(jié)構(gòu)的 fail_reports 鏈表中。

隨著時(shí)間的推移，如果節(jié)點(diǎn)十 (舉個(gè)例子) 也因?yàn)?PONG 超時(shí)而認(rèn)為節(jié)點(diǎn)二疑似下線了，并且發(fā)現(xiàn)自己維護(hù)的節(jié)點(diǎn)二的 clusterNode 的 fail_reports 中有半數(shù)以上的主節(jié)點(diǎn)數(shù)量的未過時(shí)的將節(jié)點(diǎn)二標(biāo)記為 PFAIL 狀態(tài)報(bào)告日志，那么節(jié)點(diǎn)十將會(huì)把節(jié)點(diǎn)二將被標(biāo)記為已下線 FAIL 狀態(tài)，并且節(jié)點(diǎn)十會(huì)立刻向集群其他節(jié)點(diǎn)廣播主節(jié)點(diǎn)二已經(jīng)下線的 FAIL 消息，所有收到 FAIL 消息的節(jié)點(diǎn)都會(huì)立即將節(jié)點(diǎn)二狀態(tài)標(biāo)記為已下線。如下圖所示。

需要注意的是，報(bào)告疑似下線記錄是由時(shí)效性的，如果超過 cluster-node-timeout *2 的時(shí)間，這個(gè)報(bào)告就會(huì)被忽略掉，讓節(jié)點(diǎn)二又恢復(fù)成正常狀態(tài)。

Redis Cluster 通信源碼實(shí)現(xiàn)

綜上，我們了解了 Redis Cluster 在定時(shí) PING/PONG、新節(jié)點(diǎn)上線、節(jié)點(diǎn)疑似下線和真正下線等環(huán)節(jié)的原理和操作流程，下面我們來(lái)真正看一下 Redis 在這些環(huán)節(jié)的源碼實(shí)現(xiàn)和具體操作。

涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

首先，我們先來(lái)講解一下其中涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是上文提到的 ClusterNode 等結(jié)構(gòu)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)一個(gè) clusterState 結(jié)構(gòu)，表示當(dāng)前集群的整體狀態(tài)，它的定義如下所示。

typedef?struct?clusterState?{
???clusterNode?*myself;??/*?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的clusterNode信息?*/
???....
???dict?*nodes;??????????/*?name到clusterNode的字典?*/
???....
???clusterNode?*slots[CLUSTER_SLOTS];?/*?slot?和節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系*/
???....
}?clusterState;

它有三個(gè)比較關(guān)鍵的字段，具體示意圖如下所示：

• myself 字段，是一個(gè) clusterNode 結(jié)構(gòu)，用來(lái)記錄自己的狀態(tài)；
• nodes 字典，記錄一個(gè) name 到 clusterNode 結(jié)構(gòu)的映射，以此來(lái)記錄其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；
• slot 數(shù)組，記錄slot 對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn) clusterNode結(jié)構(gòu)。

clusterNode 結(jié)構(gòu)保存了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，比如節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建時(shí)間、節(jié)點(diǎn)的名字、節(jié)點(diǎn) 當(dāng)前的配置紀(jì)元、節(jié)點(diǎn)的IP地址和端口號(hào)等等。除此之外，clusterNode結(jié)構(gòu)的 link 屬性是一個(gè)clusterLink結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保存了連接節(jié)點(diǎn)所需的有關(guān)信息**，比如**套接字描述符，輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。clusterNode 還有一個(gè) fail_report 的列表，用來(lái)記錄疑似下線報(bào)告。具體定義如下所示。

typedef?struct?clusterNode?{
????mstime_t?ctime;?/*?創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的時(shí)間?*/
????char?name[CLUSTER_NAMELEN];?/*?節(jié)點(diǎn)的名字?*/
????int?flags;??????/*?節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，標(biāo)記節(jié)點(diǎn)角色或者狀態(tài)，比如主節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)或者在線和下線?*/
????uint64_t?configEpoch;?/*?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)已知的集群統(tǒng)一epoch?*/
????unsigned?char?slots[CLUSTER_SLOTS/8];?/*?slots?handled?by?this?node?*/
????int?numslots;???/*?Number?of?slots?handled?by?this?node?*/
????int?numslaves;??/*?Number?of?slave?nodes,?if?this?is?a?master?*/
????struct?clusterNode?**slaves;?/*?pointers?to?slave?nodes?*/
????struct?clusterNode?*slaveof;?/*?pointer?to?the?master?node.?Note?that?it
????????????????????????????????????may?be?NULL?even?if?the?node?is?a?slave
????????????????????????????????????if?we?don't?have?the?master?node?in?our
????????????????????????????????????tables.?*/
????mstime_t?ping_sent;??????/*?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最后一次向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送?PING?消息的時(shí)間?*/
????mstime_t?pong_received;??/*?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)最后一次收到該節(jié)點(diǎn)?PONG?消息的時(shí)間?*/
????mstime_t?fail_time;??????/*?FAIL?標(biāo)志位被設(shè)置的時(shí)間?*/
????mstime_t?voted_time;?????/*?Last?time?we?voted?for?a?slave?of?this?master?*/
????mstime_t?repl_offset_time;??/*?Unix?time?we?received?offset?for?this?node?*/
????mstime_t?orphaned_time;?????/*?Starting?time?of?orphaned?master?condition?*/
????long?long?repl_offset;??????/*?當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的repl便宜?*/
????char?ip[NET_IP_STR_LEN];??/*?節(jié)點(diǎn)的IP?地址?*/
????int?port;???????????????????/*?端口?*/
????int?cport;??????????????????/*?通信端口，一般是端口+1000?*/
????clusterLink?*link;??????????/*?和該節(jié)點(diǎn)的?tcp?連接?*/
????list?*fail_reports;?????????/*?下線記錄列表?*/
}?clusterNode;

clusterNodeFailReport 是記錄節(jié)點(diǎn)下線報(bào)告的結(jié)構(gòu)體， node 是報(bào)告節(jié)點(diǎn)的信息，而 time 則代表著報(bào)告時(shí)間。

typedef?struct?clusterNodeFailReport?{
????struct?clusterNode?*node;??/*?報(bào)告當(dāng)前節(jié)點(diǎn)已經(jīng)下線的節(jié)點(diǎn)?*/
????mstime_t?time;?????????????/*?報(bào)告時(shí)間?*/
}?clusterNodeFailReport;

消息結(jié)構(gòu)體

了解了 Reids 節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體后，我們?cè)賮?lái)看節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的消息結(jié)構(gòu)體。通信消息最外側(cè)的結(jié)構(gòu)體為 clusterMsg，它包括了很多消息記錄信息，包括 RCmb 標(biāo)志位，消息總長(zhǎng)度，消息協(xié)議版本，消息類型；它還包括了發(fā)送該消息節(jié)點(diǎn)的記錄信息，比如節(jié)點(diǎn)名稱，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的slot信息，節(jié)點(diǎn)ip和端口等；最后它包含了一個(gè) clusterMsgData 來(lái)攜帶具體類型的消息。

typedef?struct?{
????char?sig[4];????????/*?標(biāo)志位，"RCmb"?(Redis?Cluster?message?bus).?*/
????uint32_t?totlen;????/*?消息總長(zhǎng)度?*/
????uint16_t?ver;???????/*?消息協(xié)議版本?*/
????uint16_t?port;??????/*?端口?*/
????uint16_t?type;??????/*?消息類型?*/
????uint16_t?count;?????/*??*/
????uint64_t?currentEpoch;??/*?表示本節(jié)點(diǎn)當(dāng)前記錄的整個(gè)集群的統(tǒng)一的epoch，用來(lái)決策選舉投票等，與configEpoch不同的是：configEpoch表示的是master節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)志，currentEpoch是集群的唯一標(biāo)志。?*/
????uint64_t?configEpoch;???/*?每個(gè)master節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的configEpoch做標(biāo)志，如果和其他master節(jié)點(diǎn)沖突，會(huì)強(qiáng)制自增使本節(jié)點(diǎn)在集群中唯一?*/
????uint64_t?offset;????/*?主從復(fù)制偏移相關(guān)信息，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)含義不同?*/
????char?sender[CLUSTER_NAMELEN];?/*?發(fā)送節(jié)點(diǎn)的名稱?*/
????unsigned?char?myslots[CLUSTER_SLOTS/8];?/*?本節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的slots信息,16384/8個(gè)char數(shù)組，一共為16384bit?*/
????char?slaveof[CLUSTER_NAMELEN];?/*?master信息，假如本節(jié)點(diǎn)是slave節(jié)點(diǎn)的話，協(xié)議帶有master信息?*/
????char?myip[NET_IP_STR_LEN];????/*?IP?*/
????char?notused1[34];??/*?保留字段?*/
????uint16_t?cport;??????/*?集群的通信端口?*/
????uint16_t?flags;??????/*?本節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的狀態(tài)，比如?CLUSTER_NODE_HANDSHAKE、CLUSTER_NODE_MEET?*/
????unsigned?char?state;?/*?Cluster?state?from?the?POV?of?the?sender?*/
????unsigned?char?mflags[3];?/*?本條消息的類型，目前只有兩類：CLUSTERMSG_FLAG0_PAUSED、CLUSTERMSG_FLAG0_FORCEACK */
????union?clusterMsgData?data;
}?clusterMsg;

clusterMsgData 是一個(gè) union 結(jié)構(gòu)體，它可以為 PING，MEET，PONG 或者 FAIL 等消息體。其中當(dāng)消息為 PING、MEET 和 PONG 類型時(shí)，ping 字段是被賦值的，而是 FAIL 類型時(shí)，fail 字段是被賦值的。

//?注意這是?union?關(guān)鍵字
union?clusterMsgData?{
????/*?PING,?MEET?或者?PONG?消息時(shí)，ping?字段被賦值?*/
????struct?{
????????/*?Array?of?N?clusterMsgDataGossip?structures?*/
????????clusterMsgDataGossip?gossip[1];
????}?ping;
????/*??FAIL?消息時(shí)，fail?被賦值?*/
????struct?{
????????clusterMsgDataFail?about;
????}?fail;
????//?....?省略?publish?和?update?消息的字段
};

clusterMsgDataGossip 是 PING、PONG 和 MEET 消息的結(jié)構(gòu)體，它會(huì)包括發(fā)送消息節(jié)點(diǎn)維護(hù)的其他節(jié)點(diǎn)信息，也就是上文中 clusterState 中 nodes 字段包含的信息，具體代碼如下所示，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)二者的字段是類似的。

typedef?struct?{
?/*?節(jié)點(diǎn)的名字，默認(rèn)是隨機(jī)的，MEET消息發(fā)送并得到回復(fù)后，集群會(huì)為該節(jié)點(diǎn)設(shè)置正式的名稱*/
????char?nodename[CLUSTER_NAMELEN];?
????uint32_t?ping_sent;?/*?發(fā)送節(jié)點(diǎn)最后一次給接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送?PING?消息的時(shí)間戳，收到對(duì)應(yīng)?PONG?回復(fù)后會(huì)被賦值為0?*/
????uint32_t?pong_received;?/*?發(fā)送節(jié)點(diǎn)最后一次收到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送?PONG?消息的時(shí)間戳?*/
????char?ip[NET_IP_STR_LEN];??/*?IP?address?last?time?it?was?seen?*/
????uint16_t?port;???????/*?IP*/???????
????uint16_t?cport;??????/*?端口*/??
????uint16_t?flags;??????/*?標(biāo)識(shí)*/?
????uint32_t?notused1;???/*?對(duì)齊字符*/
}?clusterMsgDataGossip;

typedef?struct?{
????char?nodename[CLUSTER_NAMELEN];?/*?下線節(jié)點(diǎn)的名字?*/
}?clusterMsgDataFail;

看完了節(jié)點(diǎn)維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和發(fā)送的消息結(jié)構(gòu)體后，我們就來(lái)看看 Redis 的具體行為源碼了。

隨機(jī)周期性發(fā)送PING消息

Redis 的 clusterCron 函數(shù)會(huì)被定時(shí)調(diào)用，每被執(zhí)行10次，就會(huì)準(zhǔn)備向隨機(jī)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送 PING 消息。

它會(huì)先隨機(jī)的選出 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后從中選擇最久沒有與之通信的節(jié)點(diǎn)，調(diào)用 clusterSendPing 函數(shù)發(fā)送類型為 CLUSTERMSG_TYPE_PING 的消息

//?cluster.c?文件?
//?clusterCron()?每執(zhí)行?10?次（至少間隔一秒鐘），就向一個(gè)隨機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送?gossip?信息
if?(!(iteration?%?10))?{
????int?j;

????/*?隨機(jī)?5?個(gè)節(jié)點(diǎn)，選出其中一個(gè)?*/
????for?(j?=?0;?j?5;?j++)?{
????????de?=?dictGetRandomKey(server.cluster->nodes);
????????clusterNode?*this?=?dictGetVal(de);

????????/*?不要?PING?連接斷開的節(jié)點(diǎn)，也不要?PING?最近已經(jīng)?PING?過的節(jié)點(diǎn)?*/
????????if?(this->link?==?NULL?||?this->ping_sent?!=?0)?continue;
????????if?(this->flags?&?(CLUSTER_NODE_MYSELF|CLUSTER_NODE_HANDSHAKE))
????????????continue;
????????/*?對(duì)比?pong_received?字段，選出更長(zhǎng)時(shí)間未收到其?PONG?消息的節(jié)點(diǎn)(表示好久沒有接受到該節(jié)點(diǎn)的PONG消息了)?*/
????????if?(min_pong_node?==?NULL?||?min_pong?>?this->pong_received)?{
????????????min_pong_node?=?this;
????????????min_pong?=?this->pong_received;
????????}
????}
????/*?向最久沒有收到?PONG?回復(fù)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送?PING?命令?*/
????if?(min_pong_node)?{
????????serverLog(LL_DEBUG,"Pinging?node?%.40s",?min_pong_node->name);
????????clusterSendPing(min_pong_node->link,?CLUSTERMSG_TYPE_PING);
????}
}

clusterSendPing 函數(shù)的具體行為我們后續(xù)再了解，因?yàn)樵摵瘮?shù)在其他環(huán)節(jié)也會(huì)經(jīng)常用到

節(jié)點(diǎn)加入集群

當(dāng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行 CLUSTER MEET 命令后，會(huì)在自身給新節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè) clusterNode 結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體的 link 也就是TCP連接字段是 null，表示是新節(jié)點(diǎn)尚未建立連接。

clusterCron 函數(shù)中也會(huì)處理這些未建立連接的新節(jié)點(diǎn)，調(diào)用 createClusterLink 創(chuàng)立連接，然后調(diào)用 clusterSendPing 函數(shù)來(lái)發(fā)送 MEET 消息

/*?cluster.c?clusterCron?函數(shù)部分,為未創(chuàng)建連接的節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建連接?*/
if?(node->link?==?NULL)?{
????int?fd;
????mstime_t?old_ping_sent;
????clusterLink?*link;
????/*?和該節(jié)點(diǎn)建立連接?*/
????fd?=?anetTcpNonBlockBindConnect(server.neterr,?node->ip,
????????node->cport,?NET_FIRST_BIND_ADDR);
????/*?....?fd?為-1時(shí)的異常處理?*/
????/*?建立?link?*/
????link?=?createClusterLink(node);
????link->fd?=?fd;
????node->link?=?link;
????aeCreateFileEvent(server.el,link->fd,AE_READABLE,
????????????clusterReadHandler,link);
????/*?向新連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)送?PING?命令，防止節(jié)點(diǎn)被識(shí)進(jìn)入下線?*/
????/*?如果節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為?MEET?，那么發(fā)送?MEET?命令，否則發(fā)送?PING?命令?*/
????old_ping_sent?=?node->ping_sent;
????clusterSendPing(link,?node->flags?&?CLUSTER_NODE_MEET??
????????????CLUSTERMSG_TYPE_MEET?:?CLUSTERMSG_TYPE_PING);
????/*?....?*/
????/*?如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)（發(fā)送者）沒能收到 MEET 信息的回復(fù)，那么它將不再向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。*/
????/*?如果接收到回復(fù)的話，那么節(jié)點(diǎn)將不再處于?HANDSHAKE?狀態(tài)，并繼續(xù)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送普通?PING?命令*/
????node->flags?&=?~CLUSTER_NODE_MEET;
}

防止節(jié)點(diǎn)假超時(shí)及狀態(tài)過期

防止節(jié)點(diǎn)假超時(shí)和標(biāo)記疑似下線標(biāo)記也是在 clusterCron 函數(shù)中，具體如下所示。它會(huì)檢查當(dāng)前所有的 nodes 節(jié)點(diǎn)列表，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)與自己的最后一個(gè) PONG 通信時(shí)間超過了預(yù)定的閾值的一半時(shí)，為了防止節(jié)點(diǎn)是假超時(shí)，會(huì)主動(dòng)釋放掉與之的 link 連接，然后會(huì)主動(dòng)向它發(fā)送一個(gè) PING 消息。

/*?cluster.c?clusterCron?函數(shù)部分，遍歷節(jié)點(diǎn)來(lái)檢查?fail?的節(jié)點(diǎn)*/
while((de?=?dictNext(di))?!=?NULL)?{
????clusterNode?*node?=?dictGetVal(de);
????now?=?mstime();?/*?Use?an?updated?time?at?every?iteration.?*/
????mstime_t?delay;

????/*?如果等到?PONG?到達(dá)的時(shí)間超過了?node?timeout?一半的連接?*/
????/*?因?yàn)楸M管節(jié)點(diǎn)依然正常，但連接可能已經(jīng)出問題了?*/
????if?(node->link?&&?/*?is?connected?*/
????????now?-?node->link->ctime?>
????????server.cluster_node_timeout?&&?/*?還未重連?*/
????????node->ping_sent?&&?/*?已經(jīng)發(fā)過ping消息?*/
????????node->pong_received?ping_sent?&&?/*?還在等待pong消息?*/
????????/*?等待pong消息超過了?timeout/2?*/
????????now?-?node->ping_sent?>?server.cluster_node_timeout/2)
????{
????????/*?釋放連接，下次?clusterCron()?會(huì)自動(dòng)重連?*/
????????freeClusterLink(node->link);
????}

????/*?如果目前沒有在?PING?節(jié)點(diǎn)*/
????/*?并且已經(jīng)有?node?timeout?一半的時(shí)間沒有從節(jié)點(diǎn)那里收到?PONG?回復(fù)?*/
????/*?那么向節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)?PING?，確保節(jié)點(diǎn)的信息不會(huì)太舊，有可能一直沒有隨機(jī)中?*/
????if?(node->link?&&
????????node->ping_sent?==?0?&&
????????(now?-?node->pong_received)?>?server.cluster_node_timeout/2)
????{
????????clusterSendPing(node->link,?CLUSTERMSG_TYPE_PING);
????????continue;
????}
????/*?....?處理failover和標(biāo)記遺失下線?*/
}

處理failover和標(biāo)記疑似下線

如果防止節(jié)點(diǎn)假超時(shí)處理后，節(jié)點(diǎn)依舊未收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 PONG 消息，并且時(shí)間已經(jīng)超過了 cluster_node_timeout，那么就將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為疑似下線狀態(tài)。

/*?如果這是一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，并且有一個(gè)從服務(wù)器請(qǐng)求進(jìn)行手動(dòng)故障轉(zhuǎn)移,那么向從服務(wù)器發(fā)送?PING*/
if?(server.cluster->mf_end?&&
????nodeIsMaster(myself)?&&
????server.cluster->mf_slave?==?node?&&
????node->link)
{
????clusterSendPing(node->link,?CLUSTERMSG_TYPE_PING);
????continue;
}

/*?后續(xù)代碼只在節(jié)點(diǎn)發(fā)送了?PING?命令的情況下執(zhí)行*/
if?(node->ping_sent?==?0)?continue;

/*?計(jì)算等待?PONG?回復(fù)的時(shí)長(zhǎng)?*/?
delay?=?now?-?node->ping_sent;
/*?等待?PONG?回復(fù)的時(shí)長(zhǎng)超過了限制值，將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為?PFAIL?（疑似下線)*/
if?(delay?>?server.cluster_node_timeout)?{
????/*?超時(shí)了，標(biāo)記為疑似下線?*/
????if?(!(node->flags?&?(REDIS_NODE_PFAIL|REDIS_NODE_FAIL)))?{
????????redisLog(REDIS_DEBUG,"***?NODE?%.40s?possibly?failing",
????????????node->name);
????????//?打開疑似下線標(biāo)記
????????node->flags?|=?REDIS_NODE_PFAIL;
????????update_state?=?1;
????}
}

實(shí)際發(fā)送Gossip消息

以下是前方多次調(diào)用過的clusterSendPing()方法的源碼，代碼中有詳細(xì)的注釋，大家可以自行閱讀。主要的操作就是將節(jié)點(diǎn)自身維護(hù)的 clusterState 轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的消息結(jié)構(gòu)體，。

/*?向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條?MEET?、?PING?或者?PONG?消息?*/
void?clusterSendPing(clusterLink?*link,?int?type)?{
????unsigned?char?*buf;
????clusterMsg?*hdr;
????int?gossipcount?=?0;?/*?Number?of?gossip?sections?added?so?far.?*/
????int?wanted;?/*?Number?of?gossip?sections?we?want?to?append?if?possible.?*/
????int?totlen;?/*?Total?packet?length.?*/
????//?freshnodes?是用于發(fā)送?gossip?信息的計(jì)數(shù)器
????//?每次發(fā)送一條信息時(shí)，程序?qū)?freshnodes?的值減一
????//?當(dāng)?freshnodes?的數(shù)值小于等于?0?時(shí)，程序停止發(fā)送?gossip?信息
????//?freshnodes?的數(shù)量是節(jié)點(diǎn)目前的?nodes?表中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量減去?2?
????//?這里的?2?指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是?myself?節(jié)點(diǎn)（也即是發(fā)送信息的這個(gè)節(jié)點(diǎn)）
????//?另一個(gè)是接受?gossip?信息的節(jié)點(diǎn)
????int?freshnodes?=?dictSize(server.cluster->nodes)-2;

????
????/*?計(jì)算要攜帶多少節(jié)點(diǎn)的信息，最少3個(gè)，最多?1/10?集群總節(jié)點(diǎn)數(shù)量*/
????wanted?=?floor(dictSize(server.cluster->nodes)/10);
????if?(wanted?3)?wanted?=?3;
????if?(wanted?>?freshnodes)?wanted?=?freshnodes;

????/*?....?省略?totlen?的計(jì)算等*/

????/*?如果發(fā)送的信息是?PING?，那么更新最后一次發(fā)送?PING?命令的時(shí)間戳?*/
????if?(link->node?&&?type?==?CLUSTERMSG_TYPE_PING)
????????link->node->ping_sent?=?mstime();
????/*?將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信息（比如名字、地址、端口號(hào)、負(fù)責(zé)處理的槽）記錄到消息里面?*/
????clusterBuildMessageHdr(hdr,type);

????/*?Populate?the?gossip?fields?*/
????int?maxiterations?=?wanted*3;
????/*?每個(gè)節(jié)點(diǎn)有?freshnodes?次發(fā)送?gossip?信息的機(jī)會(huì)
???????每次向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送?2?個(gè)被選中節(jié)點(diǎn)的?gossip?信息（gossipcount?計(jì)數(shù)）?*/
????while(freshnodes?>?0?&&?gossipcount?????????/*?從?nodes?字典中隨機(jī)選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)（被選中節(jié)點(diǎn)）?*/
????????dictEntry?*de?=?dictGetRandomKey(server.cluster->nodes);
????????clusterNode?*this?=?dictGetVal(de);

????????/*?以下節(jié)點(diǎn)不能作為被選中節(jié)點(diǎn)：
?????????* Myself:節(jié)點(diǎn)本身。
?????????*?PFAIL狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)
?????????*?處于 HANDSHAKE 狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)。
?????????*?帶有?NOADDR?標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)
?????????*?因?yàn)椴惶幚砣魏?Slot?而被斷開連接的節(jié)點(diǎn)?
?????????*/
????????if?(this?==?myself)?continue;
????????if?(this->flags?&?CLUSTER_NODE_PFAIL)?continue;
????????if?(this->flags?&?(CLUSTER_NODE_HANDSHAKE|CLUSTER_NODE_NOADDR)?||
????????????(this->link?==?NULL?&&?this->numslots?==?0))
????????{
????????????freshnodes--;?/*?Tecnically?not?correct,?but?saves?CPU.?*/
????????????continue;
????????}

????????//?檢查被選中節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)在?hdr->data.ping.gossip?數(shù)組里面
????????//?如果是的話說明這個(gè)節(jié)點(diǎn)之前已經(jīng)被選中了
????????//?不要再選中它（否則就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)）
????????if?(clusterNodeIsInGossipSection(hdr,gossipcount,this))?continue;

????????/*?這個(gè)被選中節(jié)點(diǎn)有效，計(jì)數(shù)器減一?*/
????????clusterSetGossipEntry(hdr,gossipcount,this);
????????freshnodes--;
????????gossipcount++;
????}

????/*?....?如果有?PFAIL?節(jié)點(diǎn)，最后添加?*/


????/*?計(jì)算信息長(zhǎng)度?*/
????totlen?=?sizeof(clusterMsg)-sizeof(union?clusterMsgData);
????totlen?+=?(sizeof(clusterMsgDataGossip)*gossipcount);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量（gossip?信息中包含了多少個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息）記錄在?count?屬性里面*/
????hdr->count?=?htons(gossipcount);
????/*?將信息的長(zhǎng)度記錄到信息里面?*/
????hdr->totlen?=?htonl(totlen);
????/*?發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求?*/
????clusterSendMessage(link,buf,totlen);
????zfree(buf);
}


void?clusterSetGossipEntry(clusterMsg?*hdr,?int?i,?clusterNode?*n)?{
????clusterMsgDataGossip?*gossip;
????/*?指向?gossip?信息結(jié)構(gòu)?*/
????gossip?=?&(hdr->data.ping.gossip[i]);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的名字記錄到?gossip?信息?*/???
????memcpy(gossip->nodename,n->name,CLUSTER_NAMELEN);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的?PING?命令發(fā)送時(shí)間戳記錄到?gossip?信息?*/
????gossip->ping_sent?=?htonl(n->ping_sent/1000);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的?PONG?命令回復(fù)的時(shí)間戳記錄到?gossip?信息?*/
????gossip->pong_received?=?htonl(n->pong_received/1000);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的?IP?記錄到?gossip?信息?*/
????memcpy(gossip->ip,n->ip,sizeof(n->ip));
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的端口號(hào)記錄到?gossip?信息?*/
????gossip->port?=?htons(n->port);
????gossip->cport?=?htons(n->cport);
????/*?將被選中節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)值記錄到?gossip?信息?*/
????gossip->flags?=?htons(n->flags);
????gossip->notused1?=?0;
}

下面是 clusterBuildMessageHdr 函數(shù)，它主要負(fù)責(zé)填充消息結(jié)構(gòu)體中的基礎(chǔ)信息和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。

/*?構(gòu)建消息的?header?*/
void?clusterBuildMessageHdr(clusterMsg?*hdr,?int?type)?{
????int?totlen?=?0;
????uint64_t?offset;
????clusterNode?*master;

????/*?如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是salve，則master為其主節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是master節(jié)點(diǎn)，則master就是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)?*/
????master?=?(nodeIsSlave(myself)?&&?myself->slaveof)??
??????????????myself->slaveof?:?myself;

????memset(hdr,0,sizeof(*hdr));
????/*?初始化協(xié)議版本、標(biāo)識(shí)、及類型，?*/
????hdr->ver?=?htons(CLUSTER_PROTO_VER);
????hdr->sig[0]?=?'R';
????hdr->sig[1]?=?'C';
????hdr->sig[2]?=?'m';
????hdr->sig[3]?=?'b';
????hdr->type?=?htons(type);
????/*?消息頭設(shè)置當(dāng)前節(jié)點(diǎn)id?*/
????memcpy(hdr->sender,myself->name,CLUSTER_NAMELEN);

????/*?消息頭設(shè)置當(dāng)前節(jié)點(diǎn)ip?*/
????memset(hdr->myip,0,NET_IP_STR_LEN);
????if?(server.cluster_announce_ip)?{
????????strncpy(hdr->myip,server.cluster_announce_ip,NET_IP_STR_LEN);
????????hdr->myip[NET_IP_STR_LEN-1]?=?'\0';
????}

????/*?基礎(chǔ)端口及集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信端口?*/
????int?announced_port?=?server.cluster_announce_port??
?????????????????????????server.cluster_announce_port?:?server.port;
????int?announced_cport?=?server.cluster_announce_bus_port??
??????????????????????????server.cluster_announce_bus_port?:
??????????????????????????(server.port?+?CLUSTER_PORT_INCR);
????/*?設(shè)置當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的槽信息?*/
????memcpy(hdr->myslots,master->slots,sizeof(hdr->myslots));
????memset(hdr->slaveof,0,CLUSTER_NAMELEN);
????if?(myself->slaveof?!=?NULL)
????????memcpy(hdr->slaveof,myself->slaveof->name,?CLUSTER_NAMELEN);
????hdr->port?=?htons(announced_port);
????hdr->cport?=?htons(announced_cport);
????hdr->flags?=?htons(myself->flags);
????hdr->state?=?server.cluster->state;

????/*?設(shè)置?currentEpoch?and?configEpochs.?*/
????hdr->currentEpoch?=?htonu64(server.cluster->currentEpoch);
????hdr->configEpoch?=?htonu64(master->configEpoch);

????/*?設(shè)置復(fù)制偏移量?*/
????if?(nodeIsSlave(myself))
????????offset?=?replicationGetSlaveOffset();
????else
????????offset?=?server.master_repl_offset;
????hdr->offset?=?htonu64(offset);

????/*?Set?the?message?flags.?*/
????if?(nodeIsMaster(myself)?&&?server.cluster->mf_end)
????????hdr->mflags[0]?|=?CLUSTERMSG_FLAG0_PAUSED;

????/*?計(jì)算并設(shè)置消息的總長(zhǎng)度?*/
????if?(type?==?CLUSTERMSG_TYPE_FAIL)?{
????????totlen?=?sizeof(clusterMsg)-sizeof(union?clusterMsgData);
????????totlen?+=?sizeof(clusterMsgDataFail);
????}?else?if?(type?==?CLUSTERMSG_TYPE_UPDATE)?{
????????totlen?=?sizeof(clusterMsg)-sizeof(union?clusterMsgData);
????????totlen?+=?sizeof(clusterMsgDataUpdate);
????}
????hdr->totlen?=?htonl(totlen);
}

后記

本來(lái)只想寫一下 Redis Cluster 的 Gossip 協(xié)議，沒想到文章越寫，內(nèi)容越多，最后源碼分析也是有點(diǎn)虎頭蛇尾，大家就湊合看一下，也希望大家繼續(xù)關(guān)注我后續(xù)的問題。