خوشه‌بندی Redis: مقیاس‌پذیری پایگاه‌داده درون-حافظه‌ای شما برای برنامه‌های کاربردی جهانی

در چشم‌انداز دیجیتال پرشتاب امروز، برنامه‌های کاربردی به دسترسی سریع به داده و توانایی مدیریت حجم عظیمی از ترافیک نیاز دارند. پایگاه‌های داده درون-حافظه‌ای (IMDBs) مانند Redis به اجزای ضروری برای دستیابی به این عملکرد تبدیل شده‌اند. با این حال، یک نمونه (instance) منفرد Redis تنها تا حد معینی می‌تواند مقیاس‌پذیر باشد. اینجاست که خوشه‌بندی Redis وارد می‌شود و مقیاس‌پذیری افقی، دسترسی‌پذیری بالا و تحمل خطا را برای برنامه‌های کاربردی توزیع‌شده جهانی شما ارائه می‌دهد.

خوشه‌بندی Redis چیست؟

خوشه Redis یک پیاده‌سازی توزیع‌شده از Redis است که به‌طور خودکار داده‌ها را در چندین گره (node) Redis بخش‌بندی (shard) می‌کند. برخلاف تنظیمات تک-نمونه‌ای Redis، یک خوشه Redis می‌تواند مجموعه‌داده‌هایی را مدیریت کند که از ظرفیت حافظه یک سرور منفرد فراتر می‌روند. همچنین با تکثیر داده‌ها در چندین گره، دسترسی‌پذیری بالا را فراهم می‌کند و تضمین می‌کند که برنامه شما حتی در صورت خرابی برخی از گره‌ها، عملیاتی باقی بماند.

آن را مانند توزیع یک کتابخانه عظیم (داده‌های شما) در چندین شعبه (گره‌های Redis) در شهرهای مختلف تصور کنید. هر شعبه حاوی زیرمجموعه‌ای از کتاب‌ها (داده‌ها) است و اگر یک شعبه بسته شود (خرابی گره)، شعبه‌های دیگر نسخه‌هایی از مهم‌ترین کتاب‌ها (تکثیر داده) را برای ادامه خدمت‌رسانی به جامعه در اختیار دارند.

مزایای کلیدی خوشه‌بندی Redis

• مقیاس‌پذیری افقی: استقرار Redis خود را با افزودن گره‌های بیشتر به خوشه به‌راحتی مقیاس‌پذیر کنید. این به شما امکان می‌دهد حجم داده‌ها و ترافیک فزاینده را بدون کاهش قابل توجه عملکرد مدیریت کنید. برخلاف مقیاس‌پذیری عمودی (افزودن منابع بیشتر به یک سرور منفرد)، مقیاس‌پذیری افقی رویکردی مقرون‌به‌صرفه‌تر و انعطاف‌پذیرتر ارائه می‌دهد.
• دسترسی‌پذیری بالا: خوشه Redis به‌طور خودکار خرابی گره‌ها را تشخیص داده و گره‌های کپی (replica) را به گره‌های اصلی (master) ارتقا می‌دهد و حداقل زمان از کار افتادگی (downtime) را تضمین می‌کند. تکثیر داده تضمین می‌کند که در صورت خرابی، داده‌ها از بین نمی‌روند. این برای برنامه‌هایی که به در دسترس بودن مداوم نیاز دارند، مانند پلتفرم‌های تجارت الکترونیک یا داشبوردهای تحلیل آنی، حیاتی است.
• تحمل خطا: خوشه می‌تواند حتی در صورت خرابی برخی از گره‌ها به کار خود ادامه دهد. این امر از طریق تکثیر داده و مکانیزم‌های بازیابی خودکار (failover) حاصل می‌شود. یک سیستم زمانی تحمل خطا دارد که بتواند خطاهای سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری غیرمنتظره را بدون اختلال قابل توجه مدیریت کند.
• بخش‌بندی خودکار داده: خوشه Redis به‌طور خودکار داده‌ها را با استفاده از یک الگوریتم هش‌سازی سازگار (consistent hashing) در چندین گره توزیع می‌کند. این تضمین می‌کند که داده‌ها به‌طور مساوی توزیع شده و هر گره بار معقولی را مدیریت می‌کند. فرآیند شاردینگ برای برنامه شفاف است، به این معنی که نیازی به مدیریت دستی توزیع داده‌ها ندارید.
• تکثیر داده: هر گره اصلی می‌تواند چندین گره کپی داشته باشد که به‌طور خودکار با گره اصلی همگام‌سازی می‌شوند. این امر افزونگی داده را تضمین می‌کند و اجازه می‌دهد عملیات خواندن در چندین گره توزیع شود و عملکرد را بیشتر بهبود بخشد.

معماری خوشه Redis

یک خوشه Redis از اجزای زیر تشکیل شده است:

• گره‌ها (Nodes): هر گره در خوشه یک نمونه Redis است که بخشی از داده‌ها را ذخیره می‌کند. گره‌ها می‌توانند یا گره‌های اصلی (master) یا گره‌های کپی (replica) باشند.
• گره‌های اصلی (Master Nodes): گره‌های اصلی مسئول مدیریت عملیات نوشتن و ارائه خدمات خواندن هستند. هر گره اصلی مالک زیرمجموعه‌ای از داده‌های خوشه است.
• گره‌های کپی (Replica Nodes): گره‌های کپی، نسخه‌هایی از گره‌های اصلی هستند. آنها برای فراهم کردن افزونگی داده استفاده می‌شوند و همچنین می‌توانند عملیات خواندن را ارائه دهند. اگر یک گره اصلی خراب شود، یکی از گره‌های کپی آن به‌طور خودکار به عنوان گره اصلی جدید ارتقا می‌یابد.
• اسلات‌های هش (Hashing Slots): خوشه Redis از یک الگوریتم هش‌سازی سازگار برای توزیع داده‌ها در گره‌ها استفاده می‌کند. فضای کلید به ۱۶۳۸۴ اسلات هش تقسیم می‌شود. هر گره اصلی مسئول زیرمجموعه‌ای از این اسلات‌ها است. هنگامی که یک کلاینت می‌خواهد به یک کلید خاص دسترسی پیدا کند، اسلات هش آن کلید را محاسبه کرده و درخواست را به گره اصلی که مالک آن اسلات است، ارسال می‌کند.
• گذرگاه خوشه (Cluster Bus): گره‌ها با استفاده از یک کانال ارتباطی ویژه به نام گذرگاه خوشه با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. گذرگاه خوشه از یک پروتکل شایعه (gossip protocol) برای تبادل اطلاعات در مورد توپولوژی خوشه، وضعیت گره‌ها و مالکیت داده‌ها استفاده می‌کند. این به گره‌ها امکان می‌دهد تا به‌طور خودکار یکدیگر را کشف کرده و نمای ثابتی از خوشه را حفظ کنند.

راه‌اندازی یک خوشه Redis

راه‌اندازی یک خوشه Redis شامل مراحل زیر است:

1. نصب Redis: اطمینان حاصل کنید که Redis را بر روی تمام سرورهایی که قرار است بخشی از خوشه باشند، نصب کرده‌اید. توصیه می‌شود از آخرین نسخه پایدار Redis برای عملکرد و امنیت بهینه استفاده کنید.
2. پیکربندی نمونه‌های Redis: هر نمونه Redis را برای اجرا در حالت خوشه پیکربندی کنید. این شامل تنظیم گزینه cluster-enabled به yes در فایل redis.conf است. همچنین باید گزینه‌های cluster-config-file و cluster-node-timeout را پیکربندی کنید.
3. ایجاد خوشه: از دستور redis-cli --cluster create برای ایجاد خوشه استفاده کنید. این دستور لیستی از نمونه‌های Redis را به عنوان آرگومان می‌گیرد و به‌طور خودکار آنها را برای تشکیل یک خوشه پیکربندی می‌کند. این دستور همچنین اسلات‌های هش را به‌طور خودکار به گره‌های اصلی اختصاص می‌دهد.
4. افزودن گره‌های کپی: با استفاده از دستور redis-cli --cluster add-node گره‌های کپی را به خوشه اضافه کنید. این دستور آدرس یک گره کپی و آدرس یک گره اصلی را به عنوان آرگومان می‌گیرد. دستور به‌طور خودکار گره کپی را برای تکثیر داده‌ها از گره اصلی پیکربندی می‌کند.
5. آزمایش خوشه: با اتصال به خوشه با استفاده از redis-cli و انجام برخی عملیات اساسی، مانند تنظیم و دریافت کلیدها، از صحت عملکرد خوشه اطمینان حاصل کنید. همچنین می‌توانید از دستور redis-cli cluster info برای مشاهده وضعیت خوشه و تأیید عملکرد صحیح همه گره‌ها استفاده کنید.

مثال: ایجاد یک خوشه Redis با ۶ گره (۳ اصلی، ۳ کپی)

فرض کنید ۶ سرور با آدرس‌های IP و پورت‌های زیر دارید:

• 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

بر روی یکی از سرورها (به عنوان مثال، 192.168.1.101)، دستور زیر را اجرا کنید:

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

این دستور یک خوشه با ۳ گره اصلی و ۳ گره کپی ایجاد می‌کند که هر گره اصلی یک کپی دارد.

اتصال به یک خوشه Redis

اتصال به یک خوشه Redis کمی متفاوت از اتصال به یک نمونه منفرد Redis است. شما باید از یک کلاینت Redis استفاده کنید که از حالت خوشه پشتیبانی می‌کند. این کلاینت‌ها معمولاً از گذرگاه خوشه برای کشف گره‌های موجود در خوشه و هدایت درخواست‌ها به گره‌های اصلی مناسب استفاده می‌کنند.

اکثر کلاینت‌های Redis پشتیبانی داخلی برای خوشه‌بندی Redis ارائه می‌دهند. معمولاً باید لیستی از گره‌های اولیه (seed nodes) (یعنی آدرس‌های شناخته‌شده برخی از گره‌های خوشه) را به کلاینت ارائه دهید. سپس کلاینت از این گره‌های اولیه برای کشف بقیه توپولوژی خوشه استفاده می‌کند.

مثال: اتصال به یک خوشه Redis با استفاده از پایتون (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# گره‌های راه‌اندازی لیستی از گره‌هایی هستند که کلاینت برای کشف توپولوژی خوشه از آنها استفاده می‌کند.
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"))

خوشه Redis در برنامه‌های کاربردی جهانی

خوشه Redis به ویژه برای برنامه‌های کاربردی جهانی که به تأخیر کم و دسترسی‌پذیری بالا در مناطق جغرافیایی توزیع‌شده نیاز دارند، مناسب است. در اینجا برخی از موارد استفاده رایج آورده شده است:

• کش کردن (Caching): از خوشه Redis برای کش کردن داده‌های پرتکرار، مانند پروفایل‌های کاربری، کاتالوگ محصولات و پاسخ‌های API استفاده کنید. کش را در چندین منطقه توزیع کنید تا تأخیر برای کاربران در نقاط مختلف جهان به حداقل برسد. به عنوان مثال، یک پلتفرم تجارت الکترونیک می‌تواند جزئیات محصول را در مراکز داده واقع در آمریکای شمالی، اروپا و آسیا کش کند و دسترسی سریع را برای مشتریان در سراسر جهان تضمین نماید.
• مدیریت جلسه (Session Management): داده‌های جلسه کاربر را در خوشه Redis ذخیره کنید تا یک راه حل مدیریت جلسه سازگار و مقیاس‌پذیر ارائه دهید. داده‌های جلسه را در چندین منطقه تکثیر کنید تا اطمینان حاصل شود که کاربران حتی در صورت خرابی در یک منطقه، وارد سیستم باقی می‌مانند. این برای برنامه‌هایی با پایگاه کاربری بزرگ و پراکنده در قاره‌های مختلف حیاتی است.
• تحلیل آنی (Real-time Analytics): از خوشه Redis برای جمع‌آوری و پردازش جریان‌های داده آنی، مانند ترافیک وب‌سایت، فیدهای رسانه‌های اجتماعی و داده‌های حسگرها استفاده کنید. توان عملیاتی بالا و تأخیر کم خوشه Redis آن را برای برنامه‌های تحلیل آنی ایده‌آل می‌کند. به عنوان مثال، یک سازمان خبری جهانی می‌تواند از خوشه Redis برای ردیابی موضوعات پرطرفدار و شخصی‌سازی فیدهای خبری برای کاربران در کشورهای مختلف استفاده کند.
• جداول امتیازات بازی (Gaming Leaderboards): جداول امتیازات آنی را برای بازی‌های آنلاین با استفاده از خوشه Redis پیاده‌سازی کنید. ماهیت درون-حافظه‌ای Redis امکان به‌روزرسانی و بازیابی بسیار سریع داده‌های جدول امتیازات را فراهم می‌کند و تجربه بازی یکپارچه‌ای را برای بازیکنان در سراسر جهان ارائه می‌دهد.
• صف پیام (Message Queuing): از خوشه Redis به عنوان یک واسط پیام (message broker) برای ارتباط ناهمزمان بین میکروسرویس‌های مختلف استفاده کنید. تحویل پیام قابل اعتماد و توان عملیاتی بالای خوشه Redis آن را به گزینه‌ای خوب برای ساخت سیستم‌های توزیع‌شده تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، یک برنامه درخواست خودرو می‌تواند از خوشه Redis برای مدیریت درخواست‌های سفر و اعزام رانندگان در زمان واقعی استفاده کند.

بهترین شیوه‌ها برای خوشه‌بندی Redis

برای اطمینان از عملکرد و قابلیت اطمینان بهینه استقرار خوشه Redis خود، بهترین شیوه‌های زیر را در نظر بگیرید:

• استفاده از الگوریتم هش‌سازی سازگار: خوشه Redis از یک الگوریتم هش‌سازی سازگار برای توزیع داده‌ها در گره‌ها استفاده می‌کند. این تضمین می‌کند که داده‌ها به‌طور مساوی توزیع شده و هنگام افزودن یا حذف گره‌ها از خوشه، حداقل داده‌ها نیاز به جابجایی داشته باشند.
• نظارت بر خوشه: به‌طور منظم سلامت و عملکرد خوشه Redis خود را نظارت کنید. از ابزارهای نظارتی برای ردیابی معیارهای کلیدی مانند استفاده از CPU، استفاده از حافظه، ترافیک شبکه و تأخیر تکثیر (replication lag) استفاده کنید. این به شما کمک می‌کند تا مشکلات بالقوه را قبل از تأثیرگذاری بر برنامه خود شناسایی و حل کنید.
• پیکربندی هشدارها: هشدارهایی را تنظیم کنید تا در صورت وقوع رویدادهای حیاتی مانند خرابی گره، تأخیر بالا یا کمبود حافظه به شما اطلاع دهند. این به شما امکان می‌دهد تا به سرعت به مشکلات پاسخ دهید و زمان از کار افتادگی را به حداقل برسانید.
• اندازه‌گیری صحیح گره‌ها: اندازه مناسب نمونه‌های Redis را برای حجم کاری خود انتخاب کنید. مقدار داده‌ای که باید ذخیره کنید، حجم ترافیک مورد انتظار و الزامات عملکرد برنامه خود را در نظر بگیرید. بهتر است با گره‌های کوچکتر شروع کرده و در صورت نیاز مقیاس را افزایش دهید، به جای اینکه با گره‌های بزرگی شروع کنید که کمتر از ظرفیتشان استفاده می‌شود.
• استفاده از تکثیر (Replication): همیشه از تکثیر برای اطمینان از افزونگی داده و دسترسی‌پذیری بالا استفاده کنید. تعداد کپی‌هایی که نیاز دارید به میزان حیاتی بودن داده‌ها و سطح تحمل خطای مورد نظر شما بستگی دارد.
• اجتناب از کلیدهای بزرگ: از ذخیره مقادیر بزرگ در کلیدهای Redis خودداری کنید، زیرا این می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد. اگر نیاز به ذخیره حجم زیادی از داده دارید، آن را به قطعات کوچکتر تقسیم کنید یا از یک ساختار داده متفاوت استفاده کنید.
• استفاده از پایپ‌لاین (Pipeline): از پایپ‌لاینینگ برای ارسال چندین دستور به سرور Redis در یک درخواست واحد استفاده کنید. این می‌تواند عملکرد را به ویژه برای برنامه‌هایی که تعداد زیادی عملیات کوچک انجام می‌دهند، به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
• استفاده از تجمیع اتصال (Connection Pooling): از تجمیع اتصال برای استفاده مجدد از اتصالات به سرور Redis استفاده کنید. این می‌تواند سربار ایجاد و از بین بردن اتصالات را کاهش داده و عملکرد را بهبود بخشد.
• ایمن‌سازی خوشه: خوشه Redis خود را با فعال کردن احراز هویت و محدود کردن دسترسی به کلاینت‌های مجاز، ایمن کنید. از رمزهای عبور قوی استفاده کنید و آنها را به‌طور منظم تغییر دهید. برای محافظت از داده‌ها در حین انتقال، استفاده از رمزگذاری TLS را در نظر بگیرید.

جایگزین‌های خوشه‌بندی Redis

در حالی که خوشه‌بندی Redis یک راه حل قدرتمند برای مقیاس‌پذیری Redis است، جایگزین‌های دیگری نیز وجود دارند که بسته به نیازهای خاص شما باید در نظر گرفته شوند:

• Twemproxy: یک سرور پراکسی سبک که می‌تواند داده‌های Redis را در چندین نمونه شارد کند. راه‌اندازی آن ساده‌تر از خوشه Redis است اما فاقد قابلیت‌های بازیابی خودکار (failover) است.
• Codis: یک پراکسی Redis که از شاردینگ داده و بازیابی خودکار پشتیبانی می‌کند. این راه حل قوی‌تری نسبت به Twemproxy ارائه می‌دهد اما راه‌اندازی آن نیز پیچیده‌تر است.
• KeyDB Cluster: KeyDB یک فورک (fork) با کارایی بالا از Redis است که قابلیت‌های خوشه‌بندی داخلی مشابه خوشه Redis را ارائه می‌دهد. به دلیل معماری چند رشته‌ای، اغلب عملکرد بهتری نسبت به خوشه Redis دارد.
• Redis مدیریت‌شده در ابر: ارائه‌دهندگان ابری مانند AWS (Amazon ElastiCache for Redis)، Google Cloud (Memorystore for Redis) و Azure (Azure Cache for Redis) خدمات Redis مدیریت‌شده‌ای را ارائه می‌دهند که خوشه‌بندی، تکثیر و بازیابی خودکار را به صورت خودکار مدیریت می‌کنند. این می‌تواند استقرار و مدیریت زیرساخت Redis شما را ساده کند.

نتیجه‌گیری

خوشه‌بندی Redis یک راه حل قوی و مقیاس‌پذیر برای مدیریت داده‌های درون-حافظه‌ای در برنامه‌های کاربردی توزیع‌شده جهانی فراهم می‌کند. با درک معماری، مزایا و بهترین شیوه‌های آن، می‌توانید از خوشه‌بندی Redis برای ساخت برنامه‌های با کارایی بالا، بسیار در دسترس و مقاوم در برابر خطا استفاده کنید که پاسخگوی نیازهای دنیای دیجیتال امروز باشند. چه در حال ساخت یک لایه کش، یک سیستم مدیریت جلسه یا یک پلتفرم تحلیل آنی باشید، خوشه‌بندی Redis می‌تواند به شما در دستیابی به اهداف عملکرد و مقیاس‌پذیری کمک کند.