Redis-klusterointi: muistissa olevan tietokannan skaalaaminen globaaleihin sovelluksiin

Nykypäivän nopeatempoisessa digitaalisessa maailmassa sovellukset vaativat salamannopeaa pääsyä dataan ja kykyä käsitellä massiivisia liikennemääriä. Redisin kaltaiset muistissa olevat tietokannat (IMDB) ovat tulleet olennaisiksi komponenteiksi tämän suorituskyvyn saavuttamisessa. Yksi Redis-instanssi voi kuitenkin skaalautua vain tiettyyn pisteeseen asti. Tässä kohtaa Redis-klusterointi astuu kuvaan, tarjoten horisontaalista skaalautuvuutta, korkeaa saatavuutta ja vikasietoisuutta globaalisti jaetuille sovelluksillesi.

Mitä on Redis-klusterointi?

Redis-klusteri on Redisin hajautettu toteutus, joka osioi datan automaattisesti useiden Redis-solmujen kesken. Toisin kuin yhden instanssin Redis-asennukset, Redis-klusteri voi käsitellä datajoukkoja, jotka ylittävät yhden palvelimen muistikapasiteetin. Se tarjoaa myös korkean saatavuuden replikoimalla dataa useiden solmujen välillä, varmistaen että sovelluksesi pysyy toiminnassa, vaikka jotkin solmut pettäisivät.

Ajattele sitä kuin valtavan kirjaston (datasi) jakamista useiden eri kaupungeissa sijaitsevien sivukirjastojen (Redis-solmujen) kesken. Jokainen sivukirjasto sisältää osan kirjoista (data), ja jos yksi sivukirjasto suljetaan (solmun vikaantuminen), muilla sivukirjastoilla on kopioita tärkeimmistä kirjoista (datan replikointi) palvellakseen yhteisöä edelleen.

Redis-klusteroinnin keskeiset hyödyt

Horisontaalinen skaalautuvuus: Skaalaa Redis-asennustasi helposti lisäämällä klusteriin uusia solmuja. Tämä mahdollistaa kasvavien datamäärien ja liikenteen käsittelyn ilman merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä. Toisin kuin vertikaalinen skaalaus (resurssien lisääminen yhteen palvelimeen), horisontaalinen skaalaus tarjoaa kustannustehokkaamman ja joustavamman lähestymistavan.
Korkea saatavuus: Redis-klusteri havaitsee automaattisesti solmujen vikaantumiset ja ylentää replikasolmut isänniksi, mikä takaa minimaalisen seisokkiajan. Datan replikointi varmistaa, että dataa ei menetetä vikatilanteessa. Tämä on ratkaisevan tärkeää sovelluksille, jotka vaativat jatkuvaa saatavuutta, kuten verkkokauppa-alustat tai reaaliaikaiset analytiikan kojelaudat.
Vikasietoisuus: Klusteri voi jatkaa toimintaansa, vaikka jotkin solmut vikaantuisivat. Tämä saavutetaan datan replikoinnin ja automaattisten vikasietomekanismien avulla. Järjestelmä on vikasietoinen, kun se pystyy käsittelemään odottamattomia laitteisto- tai ohjelmistovirheitä ilman merkittäviä häiriöitä.
Automaattinen datan osiointi: Redis-klusteri jakaa datan automaattisesti useiden solmujen kesken käyttämällä johdonmukaista hajautusalgoritmia. Tämä varmistaa, että data jakautuu tasaisesti ja että jokainen solmu käsittelee kohtuullisen kuormituksen. Osiointiprosessi on läpinäkyvä sovellukselle, mikä tarkoittaa, että sinun ei tarvitse manuaalisesti hallita datan jakautumista.
Datan replikointi: Jokaisella isäntäsolmulla voi olla useita replikasolmuja, jotka synkronoidaan automaattisesti isännän kanssa. Tämä varmistaa datan redundanssin ja mahdollistaa lukutoimintojen jakamisen useiden solmujen kesken, mikä parantaa suorituskykyä entisestään.

Redis-klusterin arkkitehtuuri

Redis-klusteri koostuu seuraavista komponenteista:

Solmut: Jokainen klusterin solmu on Redis-instanssi, joka tallentaa osan datasta. Solmut voivat olla joko isäntäsolmuja tai replikasolmuja.
Isäntäsolmut: Isäntäsolmut ovat vastuussa kirjoitustoimintojen käsittelystä ja lukutoimintojen palvelemisesta. Jokainen isäntäsolmu omistaa osan klusterin datasta.
Replikasolmut: Replikasolmut ovat isäntäsolmujen kopioita. Niitä käytetään datan redundanssin tarjoamiseen ja ne voivat myös palvella lukutoimintoja. Jos isäntäsolmu vikaantuu, yksi sen replikasolmuista ylennetään automaattisesti uudeksi isännäksi.
Hajautuspaikat (Hashing Slots): Redis-klusteri käyttää johdonmukaista hajautusalgoritmia datan jakamiseen solmujen kesken. Avainavaruus on jaettu 16384 hajautuspaikkaan. Jokainen isäntäsolmu on vastuussa osasta näistä paikoista. Kun asiakasohjelma haluaa käyttää tiettyä avainta, se laskee avaimen hajautuspaikan ja lähettää pyynnön sille isäntäsolmulle, joka omistaa kyseisen paikan.
Klusteriväylä (Cluster Bus): Solmut kommunikoivat keskenään käyttämällä erityistä viestintäkanavaa, jota kutsutaan klusteriväyläksi. Klusteriväylä käyttää gossip-protokollaa vaihtaakseen tietoa klusterin topologiasta, solmujen tiloista ja datan omistajuudesta. Tämä mahdollistaa solmujen automaattisen löytämisen ja klusterin yhtenäisen näkymän ylläpitämisen.

Redis-klusterin pystyttäminen

Redis-klusterin pystyttäminen sisältää seuraavat vaiheet:

Asenna Redis: Varmista, että Redis on asennettu kaikille palvelimille, jotka tulevat olemaan osa klusteria. On suositeltavaa käyttää Redisin uusinta vakaata versiota optimaalisen suorituskyvyn ja turvallisuuden takaamiseksi.
Määritä Redis-instanssit: Määritä jokainen Redis-instanssi toimimaan klusteritilassa. Tämä edellyttää cluster-enabled-asetuksen asettamista arvoon yes redis.conf-tiedostossa. Sinun on myös määritettävä cluster-config-file- ja cluster-node-timeout-asetukset.
Luo klusteri: Käytä redis-cli --cluster create -komentoa klusterin luomiseen. Tämä komento ottaa argumentteina listan Redis-instansseista ja määrittää ne automaattisesti muodostamaan klusterin. Komento myös jakaa hajautuspaikat automaattisesti isäntäsolmuille.
Lisää replikasolmuja: Lisää replikasolmuja klusteriin käyttämällä redis-cli --cluster add-node -komentoa. Tämä komento ottaa argumentteina replikasolmun osoitteen ja isäntäsolmun osoitteen. Komento määrittää replikasolmun automaattisesti replikoimaan dataa isäntäsolmulta.
Testaa klusteri: Varmista, että klusteri toimii oikein yhdistämällä siihen redis-cli:llä ja suorittamalla joitakin perustoimintoja, kuten avainten asettaminen ja hakeminen. Voit myös käyttää redis-cli cluster info -komentoa nähdäksesi klusterin tilan ja varmistaaksesi, että kaikki solmut toimivat oikein.

Esimerkki: Redis-klusterin luominen 6 solmulla (3 isäntää, 3 replikaa)

Oletetaan, että sinulla on 6 palvelinta seuraavilla IP-osoitteilla ja porteilla:

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

Suorita yhdellä palvelimista (esim. 192.168.1.101) seuraava komento:

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

Tämä komento luo klusterin, jossa on 3 isäntäsolmua ja 3 replikasolmua, ja jokaisella isännällä on yksi replika.

Yhdistäminen Redis-klusteriin

Yhdistäminen Redis-klusteriin on hieman erilaista kuin yhdistäminen yhteen Redis-instanssiin. Sinun on käytettävä Redis-asiakasohjelmaa, joka tukee klusteritilaa. Nämä asiakasohjelmat käyttävät tyypillisesti klusteriväylää löytääkseen klusterin solmut ja reitittääkseen pyynnöt oikeille isäntäsolmuille.

Useimmat Redis-asiakasohjelmat tarjoavat sisäänrakennetun tuen Redis-klusteroinnille. Yleensä sinun on annettava asiakasohjelmalle lista aloitussolmuista (eli joidenkin klusterin solmujen tunnetut osoitteet). Asiakasohjelma käyttää sitten näitä aloitussolmuja löytääkseen lopun klusterin topologiasta.

Esimerkki: Yhdistäminen Redis-klusteriin Pythonilla (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Aloitussolmut ovat lista solmuista, joita asiakasohjelma käyttää löytääkseen klusterin topologian.
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-klusteri globaaleissa sovelluksissa

Redis-klusteri soveltuu erityisen hyvin globaaleihin sovelluksiin, jotka vaativat matalaa viivettä ja korkeaa saatavuutta maantieteellisesti hajautetuilla alueilla. Tässä on joitain yleisiä käyttötapauksia:

Välimuisti: Käytä Redis-klusteria usein käytetyn datan, kuten käyttäjäprofiilien, tuotekatalogien ja API-vastausten, välimuistittamiseen. Jaa välimuisti useille alueille minimoidaksesi viiveen käyttäjille eri puolilla maailmaa. Esimerkiksi verkkokauppa-alusta voisi välimuistittaa tuotetietoja datakeskuksiin Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Aasiassa, varmistaen nopean pääsyn asiakkaille maailmanlaajuisesti.
Istunnonhallinta: Tallenna käyttäjäistuntojen data Redis-klusteriin tarjotaksesi johdonmukaisen ja skaalautuvan istunnonhallintaratkaisun. Replikoi istuntodataa useille alueille varmistaaksesi, että käyttäjät pysyvät kirjautuneina, vaikka yhdellä alueella tapahtuisi vika. Tämä on kriittistä sovelluksille, joilla on suuri käyttäjäkunta eri mantereilla.
Reaaliaikainen analytiikka: Käytä Redis-klusteria kerätäksesi ja käsitelläksesi reaaliaikaisia datavirtoja, kuten verkkosivuston liikennettä, sosiaalisen median syötteitä ja sensoridataa. Redis-klusterin korkea läpäisykyky ja matala viive tekevät siitä ihanteellisen reaaliaikaisiin analytiikkasovelluksiin. Esimerkiksi globaali uutisorganisaatio voisi käyttää Redis-klusteria seuratakseen trendaavia aiheita ja personoidakseen uutissyötteitä käyttäjille eri maissa.
Pelien tulostaulukot: Toteuta reaaliaikaisia tulostaulukoita verkkopeleille käyttämällä Redis-klusteria. Redisin muistissa oleva luonne mahdollistaa erittäin nopeat päivitykset ja tulostaulukon datan noudon, tarjoten saumattoman pelikokemuksen pelaajille ympäri maailmaa.
Viestijonot: Käytä Redis-klusteria viestinvälittäjänä asynkroniseen viestintään eri mikropalveluiden välillä. Redis-klusterin luotettava viestien toimitus ja korkea läpäisykyky tekevät siitä hyvän valinnan hajautettujen järjestelmien rakentamiseen. Esimerkiksi kyytipalvelusovellus voisi käyttää Redis-klusteria hallitakseen kyytipyyntöjä ja lähettääkseen kuljettajia reaaliajassa.

Redis-klusteroinnin parhaat käytännöt

Varmistaaksesi Redis-klusteriasennuksesi optimaalisen suorituskyvyn ja luotettavuuden, harkitse seuraavia parhaita käytäntöjä:

Käytä johdonmukaista hajautusalgoritmia: Redis-klusteri käyttää johdonmukaista hajautusalgoritmia datan jakamiseen solmujen kesken. Tämä varmistaa, että data jakautuu tasaisesti ja että vain vähän dataa tarvitsee siirtää, kun solmuja lisätään tai poistetaan klusterista.
Valvo klusteria: Valvo säännöllisesti Redis-klusterisi kuntoa ja suorituskykyä. Käytä valvontatyökaluja seurataksesi keskeisiä mittareita, kuten suorittimen käyttöä, muistin käyttöä, verkkoliikennettä ja replikointiviivettä. Tämä auttaa sinua tunnistamaan ja ratkaisemaan mahdolliset ongelmat ennen kuin ne vaikuttavat sovellukseesi.
Määritä hälytykset: Aseta hälytykset ilmoittamaan sinulle kriittisistä tapahtumista, kuten solmujen vikaantumisista, korkeasta viiveestä tai vähäisestä muistista. Tämä mahdollistaa nopean reagoinnin ongelmiin ja minimoi seisokkiajan.
Mitoita solmut oikein: Valitse oikean kokoiset Redis-instanssit työkuormallesi. Ota huomioon tallennettavan datan määrä, odotettu liikennemäärä ja sovelluksesi suorituskykyvaatimukset. On parempi aloittaa pienemmillä solmuilla ja skaalata ylöspäin tarpeen mukaan kuin aloittaa suurilla, vajaakäytöllä olevilla solmuilla.
Käytä replikointia: Käytä aina replikointia varmistaaksesi datan redundanssin ja korkean saatavuuden. Tarvitsemiesi replikoiden määrä riippuu datasi kriittisyydestä ja halutusta vikasietoisuuden tasosta.
Vältä suuria avaimia: Vältä suurten arvojen tallentamista Redis-avaimiin, sillä se voi vaikuttaa suorituskykyyn. Jos sinun täytyy tallentaa suuria määriä dataa, harkitse sen jakamista pienempiin osiin tai toisen tietorakenteen käyttämistä.
Käytä liukuhihnaa (Pipelining): Käytä liukuhihnakäsittelyä lähettääksesi useita komentoja Redis-palvelimelle yhdellä pyynnöllä. Tämä voi parantaa suorituskykyä merkittävästi, erityisesti sovelluksissa, jotka suorittavat suuren määrän pieniä operaatioita.
Käytä yhteysallasta (Connection Pooling): Käytä yhteysallasta Redis-palvelimen yhteyksien uudelleenkäyttöön. Tämä voi vähentää yhteyksien luomisen ja tuhoamisen aiheuttamaa yleiskustannusta ja parantaa suorituskykyä.
Suojaa klusterisi: Suojaa Redis-klusterisi ottamalla käyttöön todennus ja rajoittamalla pääsyä valtuutetuille asiakkaille. Käytä vahvoja salasanoja ja vaihda ne säännöllisesti. Harkitse TLS-salauksen käyttöä suojataksesi dataa siirron aikana.

Vaihtoehtoja Redis-klusteroinnille

Vaikka Redis-klusterointi on tehokas ratkaisu Redisin skaalaamiseen, on olemassa myös muita vaihtoehtoja, joita kannattaa harkita erityistarpeidesi mukaan:

Twemproxy: Kevyt välityspalvelin, joka voi osioida Redis-dataa useiden instanssien kesken. Se on yksinkertaisempi pystyttää kuin Redis-klusteri, mutta siitä puuttuu automaattinen vikasietoisuus.
Codis: Redis-välityspalvelin, joka tukee datan osiointia ja automaattista vikasietoisuutta. Se tarjoaa vankemman ratkaisun kuin Twemproxy, mutta on myös monimutkaisempi pystyttää.
KeyDB-klusteri: KeyDB on korkean suorituskyvyn haarauma Redisistä, joka tarjoaa sisäänrakennettuja klusterointiominaisuuksia, jotka ovat samankaltaisia kuin Redis-klusterilla. Se tarjoaa usein paremman suorituskyvyn kuin Redis-klusteri monisäikeisen arkkitehtuurinsa ansiosta.
Pilvihallinnoitu Redis: Pilvipalveluntarjoajat, kuten AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) ja Azure (Azure Cache for Redis), tarjoavat hallinnoituja Redis-palveluita, jotka hoitavat klusteroinnin, replikoinnin ja vikasietoisuuden automaattisesti. Tämä voi yksinkertaistaa Redis-infrastruktuurisi käyttöönottoa ja hallintaa.

Yhteenveto

Redis-klusterointi tarjoaa vankan ja skaalautuvan ratkaisun muistissa olevan datan hallintaan globaalisti jaetuissa sovelluksissa. Ymmärtämällä sen arkkitehtuurin, hyödyt ja parhaat käytännöt, voit hyödyntää Redis-klusterointia rakentaaksesi korkean suorituskyvyn, korkean saatavuuden ja vikasietoisia sovelluksia, jotka vastaavat nykypäivän digitaalisen maailman vaatimuksiin. Olitpa rakentamassa välimuistikerrosta, istunnonhallintajärjestelmää tai reaaliaikaista analytiikka-alustaa, Redis-klusterointi voi auttaa sinua saavuttamaan suorituskyky- ja skaalautuvuustavoitteesi.