Redis клъстериране: Мащабиране на вашата база данни в паметта за глобални приложения

В днешния забързан дигитален свят приложенията изискват светкавично бърз достъп до данни и способността да обработват огромни количества трафик. Базите данни в паметта (IMDBs) като Redis се превърнаха в основни компоненти за постигане на тази производителност. Въпреки това, една единствена инстанция на Redis може да се мащабира само до определена степен. Тук се намесва Redis клъстерирането, което предлага хоризонтална мащабируемост, висока наличност и отказоустойчивост за вашите глобално разпределени приложения.

Какво е Redis клъстериране?

Redis Cluster е разпределена имплементация на Redis, която автоматично разпределя (шардира) данните между няколко Redis възела. За разлика от конфигурациите с една инстанция на Redis, Redis клъстерът може да обработва набори от данни, които надвишават капацитета на паметта на един сървър. Той също така осигурява висока наличност чрез репликиране на данни между няколко възела, гарантирайки, че вашето приложение остава работещо, дори ако някои възли се повредят.

Представете си го като разпределяне на огромна библиотека (вашите данни) в няколко клона (възли на Redis) в различни градове. Всеки клон съдържа подмножество от книгите (данните) и ако един клон затвори (повреда на възел), другите клонове имат копия на най-важните книги (репликация на данни), за да продължат да обслужват общността.

Ключови предимства на Redis клъстерирането

Хоризонтална мащабируемост: Лесно мащабирайте вашата Redis инсталация, като добавяте повече възли към клъстера. Това ви позволява да се справяте с нарастващи обеми от данни и трафик без значително влошаване на производителността. За разлика от вертикалното мащабиране (добавяне на повече ресурси към един сървър), хоризонталното мащабиране предлага по-рентабилен и гъвкав подход.
Висока наличност: Redis клъстерът автоматично открива повреди на възли и повишава репликираните възли до главни (masters), осигурявайки минимално време на престой. Репликацията на данни гарантира, че данните няма да бъдат загубени в случай на повреда. Това е от решаващо значение за приложения, които изискват непрекъсната наличност, като например платформи за електронна търговия или табла за анализ в реално време.
Отказоустойчивост: Клъстерът може да продължи да работи, дори ако някои възли се повредят. Това се постига чрез репликация на данни и автоматични механизми за възстановяване при отказ (failover). Системата е отказоустойчива, когато може да се справи с неочаквани хардуерни или софтуерни грешки без значителни прекъсвания.
Автоматичен шардинг на данни: Redis клъстерът автоматично разпределя данните между няколко възела, използвайки консистентен хеширащ алгоритъм. Това гарантира, че данните са равномерно разпределени и че всеки възел обработва разумно количество натоварване. Процесът на шардинг е прозрачен за приложението, което означава, че не е необходимо ръчно да управлявате разпределението на данните.
Репликация на данни: Всеки главен възел може да има няколко репликиращи възела, които се синхронизират автоматично с главния. Това осигурява резервираност на данните и позволява операциите за четене да бъдат разпределени между няколко възела, което допълнително подобрява производителността.

Архитектура на Redis клъстер

Redis клъстерът се състои от следните компоненти:

Възли (Nodes): Всеки възел в клъстера е Redis инстанция, която съхранява част от данните. Възлите могат да бъдат или главни (master), или репликиращи (replica).
Главни възли (Master Nodes): Главните възли са отговорни за обработката на операциите за запис и обслужването на операции за четене. Всеки главен възел притежава подмножество от данните в клъстера.
Репликиращи възли (Replica Nodes): Репликиращите възли са копия на главните възли. Те се използват за осигуряване на резервираност на данните и могат също да обслужват операции за четене. Ако главен възел се повреди, един от неговите репликиращи възли автоматично се повишава, за да стане новият главен.
Хеширащи слотове (Hashing Slots): Redis клъстерът използва консистентен хеширащ алгоритъм за разпределяне на данните между възлите. Пространството на ключовете е разделено на 16384 хеширащи слота. Всеки главен възел е отговорен за подмножество от тези слотове. Когато клиент иска да получи достъп до определен ключ, той изчислява хеширащия слот за този ключ и изпраща заявката до главния възел, който притежава този слот.
Клъстерна шина (Cluster Bus): Възлите комуникират помежду си, използвайки специален комуникационен канал, наречен клъстерна шина. Клъстерната шина използва gossip протокол за обмен на информация за топологията на клъстера, състоянието на възлите и собствеността на данните. Това позволява на възлите автоматично да се откриват взаимно и да поддържат консистентен изглед на клъстера.

Създаване на Redis клъстер

Създаването на Redis клъстер включва следните стъпки:

Инсталирайте Redis: Уверете се, че сте инсталирали Redis на всички сървъри, които ще бъдат част от клъстера. Препоръчително е да използвате най-новата стабилна версия на Redis за оптимална производителност и сигурност.
Конфигурирайте Redis инстанциите: Конфигурирайте всяка Redis инстанция да работи в клъстерен режим. Това включва задаване на опцията cluster-enabled на yes във файла redis.conf. Трябва също да конфигурирате опциите cluster-config-file и cluster-node-timeout.
Създайте клъстера: Използвайте командата redis-cli --cluster create, за да създадете клъстера. Тази команда приема списък от Redis инстанции като аргументи и автоматично ги конфигурира да формират клъстер. Командата също така автоматично ще присвои хеширащи слотове на главните възли.
Добавете репликиращи възли: Добавете репликиращи възли към клъстера, използвайки командата redis-cli --cluster add-node. Тази команда приема адреса на репликиращия възел и адреса на главния възел като аргументи. Командата автоматично ще конфигурира репликиращия възел да репликира данни от главния възел.
Тествайте клъстера: Проверете дали клъстерът работи правилно, като се свържете с него чрез redis-cli и извършите някои основни операции, като задаване и получаване на ключове. Можете също да използвате командата redis-cli cluster info, за да видите състоянието на клъстера и да проверите дали всички възли функционират правилно.

Пример: Създаване на Redis клъстер с 6 възела (3 главни, 3 реплики)

Да приемем, че имате 6 сървъра със следните IP адреси и портове:

192.168.1.101:7000
192.168.1.102:7001
192.168.1.103:7002
192.168.1.104:7003
192.168.1.105:7004
192.168.1.106:7005

На един от сървърите (напр. 192.168.1.101) изпълнете следната команда:

redis-cli --cluster create 192.168.1.101:7000 192.168.1.102:7001 192.168.1.103:7002 192.168.1.104:7003 192.168.1.105:7004 192.168.1.106:7005 --cluster-replicas 1

Тази команда ще създаде клъстер с 3 главни възела и 3 реплики, като всеки главен възел има по една реплика.

Свързване с Redis клъстер

Свързването с Redis клъстер е малко по-различно от свързването с една инстанция на Redis. Трябва да използвате Redis клиент, който поддържа клъстерен режим. Тези клиенти обикновено използват клъстерната шина, за да открият възлите в клъстера и да маршрутизират заявките до съответните главни възли.

Повечето Redis клиенти предоставят вградена поддръжка за Redis клъстериране. Обикновено ще трябва да предоставите на клиента списък с начални възли (т.е. известни адреси на някои от възлите в клъстера). След това клиентът ще използва тези начални възли, за да открие останалата част от топологията на клъстера.

Пример: Свързване с Redis клъстер с помощта на Python (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Началните възли са списък от възли, които клиентът ще използва, за да открие топологията на клъстера.
startup_nodes = [
 {"host": "192.168.1.101", "port": "7000"},
 {"host": "192.168.1.102", "port": "7001"},
 {"host": "192.168.1.103", "port": "7002"}
]

rc = RedisCluster(startup_nodes=startup_nodes, decode_responses=True)

rc.set("foo", "bar")
print(rc.get("foo"))

Redis клъстер в глобални приложения

Redis клъстерът е особено подходящ за глобални приложения, които изискват ниска латентност и висока наличност в географски разпределени региони. Ето някои често срещани случаи на употреба:

Кеширане: Използвайте Redis клъстер за кеширане на често достъпвани данни, като потребителски профили, продуктови каталози и отговори на API. Разпределете кеша в няколко региона, за да минимизирате латентността за потребители в различни части на света. Например, платформа за електронна търговия може да кешира подробности за продуктите в центрове за данни, разположени в Северна Америка, Европа и Азия, осигурявайки бърз достъп за клиенти по целия свят.
Управление на сесии: Съхранявайте данните за потребителските сесии в Redis клъстер, за да осигурите последователно и мащабируемо решение за управление на сесии. Репликирайте данните за сесиите в няколко региона, за да гарантирате, че потребителите остават вписани, дори ако има повреда в един регион. Това е от решаващо значение за приложения с голяма потребителска база, разпръсната на различни континенти.
Анализи в реално време: Използвайте Redis клъстер за събиране и обработка на потоци от данни в реално време, като трафик на уебсайтове, емисии от социални медии и данни от сензори. Високата пропускателна способност и ниската латентност на Redis клъстера го правят идеален за приложения за анализ в реално време. Глобална новинарска организация, например, може да използва Redis клъстер за проследяване на актуални теми и персонализиране на новинарски емисии за потребители в различни държави.
Класации в игри: Имплементирайте класации в реално време за онлайн игри, използвайки Redis клъстер. In-memory естеството на Redis позволява изключително бързи актуализации и извличане на данни от класациите, осигурявайки безпроблемно игрово изживяване за играчи по целия свят.
Опашки за съобщения: Използвайте Redis клъстер като брокер на съобщения за асинхронна комуникация между различни микроуслуги. Надеждната доставка на съобщения и високата пропускателна способност на Redis клъстера го правят добър избор за изграждане на разпределени системи. Например, приложение за споделено пътуване може да използва Redis клъстер за управление на заявки за пътувания и изпращане на шофьори в реално време.

Най-добри практики за Redis клъстериране

За да осигурите оптимална производителност и надеждност на вашата Redis клъстерна инсталация, вземете предвид следните най-добри практики:

Използвайте консистентен хеширащ алгоритъм: Redis клъстерът използва консистентен хеширащ алгоритъм за разпределяне на данните между възлите. Това гарантира, че данните са равномерно разпределени и че е необходимо да се премества минимално количество данни, когато се добавят или премахват възли от клъстера.
Наблюдавайте клъстера: Редовно наблюдавайте състоянието и производителността на вашия Redis клъстер. Използвайте инструменти за наблюдение, за да проследявате ключови показатели, като използване на процесора, използване на паметта, мрежов трафик и забавяне на репликацията. Това ще ви помогне да идентифицирате и разрешите потенциални проблеми, преди те да засегнат вашето приложение.
Конфигурирайте сигнали: Настройте сигнали, които да ви уведомяват при възникване на критични събития, като повреди на възли, висока латентност или ниска памет. Това ще ви позволи да реагирате бързо на проблеми и да минимизирате времето на престой.
Правилно оразмерете възлите: Изберете правилния размер на Redis инстанциите за вашето натоварване. Вземете предвид количеството данни, които трябва да съхранявате, очаквания обем на трафика и изискванията за производителност на вашето приложение. По-добре е да започнете с по-малки възли и да ги мащабирате при нужда, вместо да започвате с големи възли, които са недостатъчно използвани.
Използвайте репликация: Винаги използвайте репликация, за да осигурите резервираност на данните и висока наличност. Броят на репликите, от които се нуждаете, ще зависи от критичността на вашите данни и желаното ниво на отказоустойчивост.
Избягвайте големи ключове: Избягвайте съхраняването на големи стойности в Redis ключове, тъй като това може да повлияе на производителността. Ако трябва да съхранявате големи количества данни, обмислете разделянето им на по-малки части или използването на различна структура от данни.
Използвайте Pipeline: Използвайте конвейерна обработка (pipelining), за да изпращате множество команди до Redis сървъра в една заявка. Това може значително да подобри производителността, особено за приложения, които извършват голям брой малки операции.
Използвайте Connection Pooling: Използвайте обединяване на връзки (connection pooling), за да използвате повторно връзките към Redis сървъра. Това може да намали натоварването от създаване и унищожаване на връзки, подобрявайки производителността.
Защитете своя клъстер: Защитете своя Redis клъстер, като активирате удостоверяване и ограничите достъпа до оторизирани клиенти. Използвайте силни пароли и ги сменяйте редовно. Обмислете използването на TLS криптиране за защита на данните при пренос.

Алтернативи на Redis клъстерирането

Въпреки че Redis клъстерирането е мощно решение за мащабиране на Redis, има и други алтернативи, които да обмислите в зависимост от вашите специфични нужди:

Twemproxy: Лек прокси сървър, който може да шардира данни на Redis в няколко инстанции. По-лесен е за настройка от Redis Cluster, но му липсват възможности за автоматично възстановяване при отказ.
Codis: Redis прокси, което поддържа шардинг на данни и автоматично възстановяване при отказ. Предоставя по-стабилно решение от Twemproxy, но е и по-сложно за настройка.
KeyDB Cluster: KeyDB е високопроизводителен форк на Redis, който предлага вградени възможности за клъстериране, подобни на Redis Cluster. Често осигурява по-добра производителност от Redis Cluster поради своята многонишкова архитектура.
Управляван Redis в облака: Облачни доставчици като AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) и Azure (Azure Cache for Redis) предлагат управлявани Redis услуги, които автоматично се справят с клъстерирането, репликацията и възстановяването при отказ. Това може да опрости внедряването и управлението на вашата Redis инфраструктура.

Заключение

Redis клъстерирането предоставя стабилно и мащабируемо решение за управление на данни в паметта в глобално разпределени приложения. Като разбирате неговата архитектура, предимства и най-добри практики, можете да използвате Redis клъстерирането, за да изграждате високопроизводителни, високодостъпни и отказоустойчиви приложения, които отговарят на изискванията на днешния дигитален свят. Независимо дали изграждате кеширащ слой, система за управление на сесии или платформа за анализ в реално време, Redis клъстерирането може да ви помогне да постигнете целите си за производителност и мащабируемост.