Redis Clustering: Škálování vaší in-memory databáze pro globální aplikace

V dnešním rychle se měnícím digitálním světě vyžadují aplikace bleskurychlý přístup k datům a schopnost zpracovávat obrovské množství provozu. In-memory databáze (IMDB), jako je Redis, se staly nezbytnými součástmi pro dosažení tohoto výkonu. Jedna instance Redis však může škálovat jen do určité míry. Zde přichází na řadu Redis Clustering, který nabízí horizontální škálovatelnost, vysokou dostupnost a odolnost proti chybám pro vaše globálně distribuované aplikace.

Co je Redis Clustering?

Redis Cluster je distribuovaná implementace Redis, která automaticky rozděluje (sharduje) data mezi více uzlů Redis. Na rozdíl od nastavení s jednou instancí Redis dokáže Redis Cluster zpracovat datové sady, které přesahují paměťovou kapacitu jednoho serveru. Poskytuje také vysokou dostupnost replikací dat mezi více uzly, což zajišťuje, že vaše aplikace zůstane v provozu i v případě selhání některých uzlů.

Představte si to jako rozdělení obrovské knihovny (vašich dat) mezi několik poboček (uzlů Redis) v různých městech. Každá pobočka obsahuje podmnožinu knih (dat), a pokud se jedna pobočka zavře (selhání uzlu), ostatní pobočky mají kopie nejdůležitějších knih (replikace dat), aby mohly nadále sloužit komunitě.

Klíčové výhody Redis Clustering

• Horizontální škálovatelnost: Snadno škálujte své nasazení Redis přidáním dalších uzlů do clusteru. To vám umožní zvládat rostoucí objemy dat a provoz bez výrazného snížení výkonu. Na rozdíl od vertikálního škálování (přidávání více zdrojů na jeden server) nabízí horizontální škálování nákladově efektivnější a flexibilnější přístup.
• Vysoká dostupnost: Redis Cluster automaticky detekuje selhání uzlů a povyšuje repliky na master uzly, což zajišťuje minimální prostoje. Replikace dat zaručuje, že data nebudou ztracena v případě selhání. To je klíčové pro aplikace, které vyžadují nepřetržitou dostupnost, jako jsou e-commerce platformy nebo real-time analytické panely.
• Odolnost proti chybám: Cluster může pokračovat v provozu, i když některé uzly selžou. Toho je dosaženo pomocí replikace dat a automatických mechanismů pro převzetí služeb po selhání (failover). Systém je odolný proti chybám, když dokáže zvládnout neočekávané hardwarové nebo softwarové chyby bez výrazného narušení.
• Automatický sharding dat: Redis Cluster automaticky distribuuje data mezi více uzly pomocí konzistentního hašovacího algoritmu. To zajišťuje, že data jsou rovnoměrně rozložena a že každý uzel zpracovává přiměřené množství zátěže. Proces shardingu je pro aplikaci transparentní, což znamená, že nemusíte ručně spravovat distribuci dat.
• Replikace dat: Každý master uzel může mít více replik, které jsou automaticky synchronizovány s masterem. To zajišťuje redundanci dat a umožňuje distribuovat operace čtení mezi více uzlů, což dále zlepšuje výkon.

Architektura Redis Cluster

Redis Cluster se skládá z následujících komponent:

• Uzly: Každý uzel v clusteru je instance Redis, která ukládá část dat. Uzly mohou být buď master uzly, nebo repliky.
• Master uzly: Master uzly jsou zodpovědné za zpracování operací zápisu a obsluhu operací čtení. Každý master uzel vlastní podmnožinu dat v clusteru.
• Repliky: Repliky jsou kopie master uzlů. Používají se k zajištění redundance dat a mohou také obsluhovat operace čtení. Pokud master uzel selže, jedna z jeho replik je automaticky povýšena na nového mastera.
• Hašovací sloty: Redis Cluster používá konzistentní hašovací algoritmus k distribuci dat mezi uzly. Klíčový prostor je rozdělen na 16384 hašovacích slotů. Každý master uzel je zodpovědný za podmnožinu těchto slotů. Když klient chce přistoupit ke konkrétnímu klíči, vypočítá hašovací slot pro tento klíč a pošle požadavek master uzlu, který tento slot vlastní.
• Cluster Bus: Uzly mezi sebou komunikují pomocí speciálního komunikačního kanálu nazývaného cluster bus. Cluster bus používá gossip protokol k výměně informací o topologii clusteru, stavech uzlů a vlastnictví dat. To umožňuje uzlům automaticky se navzájem objevovat a udržovat konzistentní pohled na cluster.

Nastavení Redis Clusteru

Nastavení Redis Clusteru zahrnuje následující kroky:

1. Nainstalujte Redis: Ujistěte se, že máte Redis nainstalovaný na všech serverech, které budou součástí clusteru. Pro optimální výkon a bezpečnost se doporučuje používat nejnovější stabilní verzi Redis.
2. Nakonfigurujte instance Redis: Nakonfigurujte každou instanci Redis tak, aby běžela v režimu clusteru. To zahrnuje nastavení volby cluster-enabled na yes v souboru redis.conf. Musíte také nakonfigurovat volby cluster-config-file a cluster-node-timeout.
3. Vytvořte cluster: Použijte příkaz redis-cli --cluster create k vytvoření clusteru. Tento příkaz přijímá seznam instancí Redis jako argumenty a automaticky je nakonfiguruje tak, aby vytvořily cluster. Příkaz také automaticky přiřadí hašovací sloty master uzlům.
4. Přidejte repliky: Přidejte repliky do clusteru pomocí příkazu redis-cli --cluster add-node. Tento příkaz přijímá adresu repliky a adresu master uzlu jako argumenty. Příkaz automaticky nakonfiguruje repliku tak, aby replikovala data z master uzlu.
5. Otestujte cluster: Ověřte, že cluster funguje správně, připojením k němu pomocí redis-cli a provedením několika základních operací, jako je nastavení a získání klíčů. Můžete také použít příkaz redis-cli cluster info k zobrazení stavu clusteru a ověření, že všechny uzly fungují správně.

Příklad: Vytvoření Redis Clusteru se 6 uzly (3 mastery, 3 repliky)

Předpokládejme, že máte 6 serverů s následujícími IP adresami a porty:

• 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

Na jednom ze serverů (např. 192.168.1.101) spusťte následující příkaz:

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

Tento příkaz vytvoří cluster se 3 master uzly a 3 replikami, přičemž každý master bude mít jednu repliku.

Připojení k Redis Clusteru

Připojení k Redis Clusteru je mírně odlišné od připojení k jedné instanci Redis. Musíte použít klienta Redis, který podporuje režim clusteru. Tito klienti obvykle používají cluster bus k objevení uzlů v clusteru a směrování požadavků na příslušné master uzly.

Většina klientů Redis poskytuje vestavěnou podporu pro Redis Clustering. Obvykle budete muset klientovi poskytnout seznam výchozích uzlů (tj. známých adres některých uzlů v clusteru). Klient pak použije tyto výchozí uzly k objevení zbytku topologie clusteru.

Příklad: Připojení k Redis Clusteru pomocí Pythonu (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Výchozí uzly jsou seznamem uzlů, které klient použije k objevení topologie clusteru.
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 Cluster v globálních aplikacích

Redis Cluster je obzvláště vhodný pro globální aplikace, které vyžadují nízkou latenci a vysokou dostupnost napříč geograficky rozloženými regiony. Zde jsou některé běžné případy použití:

• Ukládání do mezipaměti (Caching): Použijte Redis Cluster k ukládání často přistupovaných dat, jako jsou uživatelské profily, katalogy produktů a odpovědi API. Distribuujte mezipaměť mezi více regionů, abyste minimalizovali latenci pro uživatele v různých částech světa. Například e-commerce platforma by mohla ukládat detaily produktů v datových centrech v Severní Americe, Evropě a Asii, což zajistí rychlý přístup pro zákazníky po celém světě.
• Správa relací (Session Management): Ukládejte data uživatelských relací do Redis Clusteru, abyste poskytli konzistentní a škálovatelné řešení pro správu relací. Replikujte data relací mezi více regionů, abyste zajistili, že uživatelé zůstanou přihlášeni i v případě selhání v jednom regionu. To je klíčové pro aplikace s velkou uživatelskou základnou rozprostřenou po různých kontinentech.
• Analytika v reálném čase: Použijte Redis Cluster ke sběru a zpracování datových proudů v reálném čase, jako je návštěvnost webových stránek, kanály sociálních médií a data ze senzorů. Vysoká propustnost a nízká latence Redis Clusteru ho činí ideálním pro analytické aplikace v reálném čase. Například globální zpravodajská organizace by mohla použít Redis Cluster ke sledování trendových témat a personalizaci zpravodajských kanálů pro uživatele v různých zemích.
• Herní žebříčky: Implementujte žebříčky v reálném čase pro online hry pomocí Redis Clusteru. In-memory povaha Redis umožňuje extrémně rychlé aktualizace a načítání dat žebříčků, což poskytuje bezproblémový herní zážitek pro hráče po celém světě.
• Fronty zpráv (Message Queuing): Použijte Redis Cluster jako zprostředkovatele zpráv (message broker) pro asynchronní komunikaci mezi různými mikroslužbami. Spolehlivé doručování zpráv a vysoká propustnost Redis Clusteru z něj činí dobrou volbu pro budování distribuovaných systémů. Například aplikace pro sdílení jízd by mohla použít Redis Cluster ke správě požadavků na jízdu a přidělování řidičů v reálném čase.

Osvědčené postupy pro Redis Clustering

Abyste zajistili optimální výkon a spolehlivost vašeho nasazení Redis Cluster, zvažte následující osvědčené postupy:

• Používejte konzistentní hašovací algoritmus: Redis Cluster používá konzistentní hašovací algoritmus k distribuci dat mezi uzly. To zajišťuje, že data jsou rovnoměrně rozložena a že při přidávání nebo odebírání uzlů z clusteru je třeba přesunout minimální množství dat.
• Monitorujte cluster: Pravidelně sledujte stav a výkon vašeho Redis Clusteru. Používejte monitorovací nástroje ke sledování klíčových metrik, jako je využití CPU, využití paměti, síťový provoz a zpoždění replikace. To vám pomůže identifikovat a řešit potenciální problémy dříve, než ovlivní vaši aplikaci.
• Nakonfigurujte upozornění: Nastavte upozornění, která vás informují o kritických událostech, jako jsou selhání uzlů, vysoká latence nebo nedostatek paměti. To vám umožní rychle reagovat na problémy a minimalizovat prostoje.
• Správně dimenzujte uzly: Zvolte správnou velikost instancí Redis pro vaši zátěž. Zvažte množství dat, které potřebujete uložit, očekávaný objem provozu a požadavky na výkon vaší aplikace. Je lepší začít s menšími uzly a škálovat podle potřeby, než začínat s velkými uzly, které jsou nedostatečně využity.
• Používejte replikaci: Vždy používejte replikaci k zajištění redundance dat a vysoké dostupnosti. Počet replik, které potřebujete, bude záviset na kritičnosti vašich dat a požadované úrovni odolnosti proti chybám.
• Vyhněte se velkým klíčům: Vyhněte se ukládání velkých hodnot do klíčů Redis, protože to může ovlivnit výkon. Pokud potřebujete uložit velké množství dat, zvažte jejich rozdělení na menší části nebo použití jiné datové struktury.
• Používejte pipeline: Používejte pipelining k odeslání více příkazů na server Redis v jediném požadavku. To může výrazně zlepšit výkon, zejména u aplikací, které provádějí velké množství malých operací.
• Používejte connection pooling: Používejte sdružování připojení (connection pooling) k opětovnému použití připojení k serveru Redis. To může snížit režii spojenou s vytvářením a rušením připojení, což zlepšuje výkon.
• Zabezpečte svůj cluster: Zabezpečte svůj Redis Cluster povolením autentizace a omezením přístupu pouze pro autorizované klienty. Používejte silná hesla a pravidelně je obměňujte. Zvažte použití šifrování TLS k ochraně dat při přenosu.

Alternativy k Redis Clustering

Ačkoli je Redis Clustering výkonným řešením pro škálování Redis, existují i další alternativy, které je třeba zvážit v závislosti na vašich specifických potřebách:

• Twemproxy: Lehký proxy server, který dokáže shardovat data Redis mezi více instancí. Jeho nastavení je jednodušší než u Redis Cluster, ale postrádá schopnosti automatického převzetí služeb po selhání (failover).
• Codis: Redis proxy, které podporuje sharding dat a automatický failover. Poskytuje robustnější řešení než Twemproxy, ale jeho nastavení je také složitější.
• KeyDB Cluster: KeyDB je vysoce výkonný fork Redis, který nabízí vestavěné schopnosti clusterování podobné Redis Cluster. Díky své vícevláknové architektuře často poskytuje lepší výkon než Redis Cluster.
• Cloudem spravovaný Redis: Poskytovatelé cloudu jako AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) a Azure (Azure Cache for Redis) nabízejí spravované služby Redis, které se automaticky starají o clusterování, replikaci a failover. To může zjednodušit nasazení a správu vaší infrastruktury Redis.

Závěr

Redis Clustering poskytuje robustní a škálovatelné řešení pro správu in-memory dat v globálně distribuovaných aplikacích. Porozuměním jeho architektuře, výhodám a osvědčeným postupům můžete využít Redis Clustering k budování vysoce výkonných, vysoce dostupných a odolných aplikací, které splňují požadavky dnešního digitálního světa. Ať už budujete cachovací vrstvu, systém pro správu relací nebo analytickou platformu v reálném čase, Redis Clustering vám může pomoci dosáhnout vašich cílů v oblasti výkonu a škálovatelnosti.