Redis klasterizācija: jūsu atmiņas datubāzes mērogošana globālām lietojumprogrammām

Mūsdienu straujajā digitālajā vidē lietojumprogrammām ir nepieciešama zibensātra datu piekļuve un spēja apstrādāt milzīgu datplūsmas apjomu. Atmiņas datubāzes (IMDB), piemēram, Redis, ir kļuvušas par būtiskiem komponentiem šīs veiktspējas sasniegšanai. Tomēr viena Redis instance var mērogoties tikai līdz noteiktai robežai. Tieši šeit talkā nāk Redis klasterizācija, piedāvājot horizontālu mērogojamību, augstu pieejamību un kļūmju toleranci jūsu globāli izplatītajām lietojumprogrammām.

Kas ir Redis klasterizācija?

Redis Cluster ir izplatīta Redis implementācija, kas automātiski sadala datus starp vairākiem Redis mezgliem. Atšķirībā no viena instances Redis iestatījumiem, Redis klasteris var apstrādāt datu kopas, kas pārsniedz viena servera atmiņas ietilpību. Tas arī nodrošina augstu pieejamību, replicējot datus starp vairākiem mezgliem, nodrošinot, ka jūsu lietojumprogramma paliek darbspējīga pat tad, ja daži mezgli neizdodas.

Iedomājieties to kā milzīgas bibliotēkas (jūsu datu) izplatīšanu starp vairākām filiālēm (Redis mezgliem) dažādās pilsētās. Katra filiāle satur daļu no grāmatām (datiem), un, ja viena filiāle tiek slēgta (mezgla kļūme), citās filiālēs ir svarīgāko grāmatu kopijas (datu replicēšana), lai turpinātu apkalpot sabiedrību.

Redis klasterizācijas galvenās priekšrocības

• Horizontālā mērogojamība: Viegli mērogojiet savu Redis izvietojumu, pievienojot klasterim vairāk mezglu. Tas ļauj apstrādāt pieaugošos datu apjomus un datplūsmu bez būtiskas veiktspējas pasliktināšanās. Atšķirībā no vertikālās mērogošanas (vairāk resursu pievienošana vienam serverim), horizontālā mērogošana piedāvā rentablāku un elastīgāku pieeju.
• Augsta pieejamība: Redis klasteris automātiski nosaka mezglu kļūmes un paaugstina replikācijas mezglus par galvenajiem, nodrošinot minimālu dīkstāvi. Datu replicēšana nodrošina, ka dati netiek zaudēti kļūmes gadījumā. Tas ir būtiski lietojumprogrammām, kurām nepieciešama nepārtraukta pieejamība, piemēram, e-komercijas platformām vai reāllaika analītikas paneļiem.
• Kļūmju tolerance: Klasteris var turpināt darboties pat tad, ja daži mezgli neizdodas. Tas tiek panākts, izmantojot datu replicēšanu un automātiskus kļūmjpārlēces mehānismus. Sistēma ir kļūmju toleranta, ja tā spēj apstrādāt negaidītas aparatūras vai programmatūras kļūdas bez būtiskiem traucējumiem.
• Automātiskā datu sadalīšana: Redis klasteris automātiski sadala datus starp vairākiem mezgliem, izmantojot konsekventu hešēšanas algoritmu. Tas nodrošina, ka dati tiek vienmērīgi sadalīti un katrs mezgls apstrādā saprātīgu slodzes apjomu. Sadalīšanas process ir caurspīdīgs lietojumprogrammai, kas nozīmē, ka jums nav manuāli jāpārvalda datu izplatīšana.
• Datu replicēšana: Katram galvenajam mezglam var būt vairāki replikācijas mezgli, kas tiek automātiski sinhronizēti ar galveno. Tas nodrošina datu redundanci un ļauj lasīšanas operācijas sadalīt starp vairākiem mezgliem, vēl vairāk uzlabojot veiktspēju.

Redis klastera arhitektūra

Redis klasteris sastāv no šādiem komponentiem:

• Mezgli: Katrs mezgls klasterī ir Redis instance, kas glabā daļu datu. Mezgli var būt vai nu galvenie, vai replikācijas mezgli.
• Galvenie mezgli: Galvenie mezgli ir atbildīgi par rakstīšanas operāciju apstrādi un lasīšanas operāciju apkalpošanu. Katram galvenajam mezglam pieder daļa no klastera datiem.
• Replikācijas mezgli: Replikācijas mezgli ir galveno mezglu kopijas. Tie tiek izmantoti, lai nodrošinātu datu redundanci, un var arī apkalpot lasīšanas operācijas. Ja galvenais mezgls neizdodas, viens no tā replikācijas mezgliem tiek automātiski paaugstināts par jauno galveno mezglu.
• Hešēšanas sloti: Redis klasteris izmanto konsekventu hešēšanas algoritmu, lai sadalītu datus starp mezgliem. Atslēgu telpa ir sadalīta 16384 hešēšanas slotos. Katrs galvenais mezgls ir atbildīgs par daļu no šiem slotiem. Kad klients vēlas piekļūt konkrētai atslēgai, tas aprēķina šīs atslēgas hešēšanas slotu un nosūta pieprasījumu galvenajam mezglam, kuram pieder šis slots.
• Klastera kopne: Mezgli sazinās savā starpā, izmantojot īpašu sakaru kanālu, ko sauc par klastera kopni. Klastera kopne izmanto tenku protokolu (gossip protocol), lai apmainītos ar informāciju par klastera topoloģiju, mezglu stāvokļiem un datu piederību. Tas ļauj mezgliem automātiski atklāt vienam otru un uzturēt konsekventu skatu uz klasteri.

Redis klastera izveidošana

Redis klastera izveidošana ietver šādus soļus:

1. Instalējiet Redis: Pārliecinieties, ka Redis ir instalēts uz visiem serveriem, kas būs daļa no klastera. Ieteicams izmantot jaunāko stabilo Redis versiju, lai nodrošinātu optimālu veiktspēju un drošību.
2. Konfigurējiet Redis instances: Konfigurējiet katru Redis instanci, lai tā darbotos klastera režīmā. Tas ietver opcijas cluster-enabled iestatīšanu uz yes failā redis.conf. Jums arī jākonfigurē opcijas cluster-config-file un cluster-node-timeout.
3. Izveidojiet klasteri: Izmantojiet komandu redis-cli --cluster create, lai izveidotu klasteri. Šī komanda kā argumentus pieņem Redis instanču sarakstu un automātiski tās konfigurē, lai izveidotu klasteri. Komanda arī automātiski piešķirs hešēšanas slotus galvenajiem mezgliem.
4. Pievienojiet replikācijas mezglus: Pievienojiet klasterim replikācijas mezglus, izmantojot komandu redis-cli --cluster add-node. Šī komanda kā argumentus pieņem replikācijas mezgla adresi un galvenā mezgla adresi. Komanda automātiski konfigurēs replikācijas mezglu, lai replicētu datus no galvenā mezgla.
5. Pārbaudiet klasteri: Pārbaudiet, vai klasteris darbojas pareizi, pieslēdzoties tam, izmantojot redis-cli, un veicot dažas pamata operācijas, piemēram, atslēgu iestatīšanu un iegūšanu. Varat arī izmantot komandu redis-cli cluster info, lai apskatītu klastera statusu un pārliecinātos, ka visi mezgli darbojas pareizi.

Piemērs: Redis klastera izveide ar 6 mezgliem (3 galvenie, 3 replikācijas)

Pieņemsim, ka jums ir 6 serveri ar šādām IP adresēm un portiem:

• 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

Vienā no serveriem (piem., 192.168.1.101) palaidiet šādu komandu:

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

Šī komanda izveidos klasteri ar 3 galvenajiem mezgliem un 3 replikācijas mezgliem, kur katram galvenajam mezglam būs viena replikācija.

Savienojuma izveide ar Redis klasteri

Savienojuma izveide ar Redis klasteri nedaudz atšķiras no savienojuma izveides ar vienu Redis instanci. Jums jāizmanto Redis klients, kas atbalsta klastera režīmu. Šie klienti parasti izmanto klastera kopni, lai atklātu klastera mezglus un novirzītu pieprasījumus uz atbilstošajiem galvenajiem mezgliem.

Vairums Redis klientu nodrošina iebūvētu atbalstu Redis klasterizācijai. Parasti klientam būs jānorāda sākuma mezglu saraksts (t.i., zināmas dažu klastera mezglu adreses). Pēc tam klients izmantos šos sākuma mezglus, lai atklātu pārējo klastera topoloģiju.

Piemērs: Savienojuma izveide ar Redis klasteri, izmantojot Python (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Sākuma mezgli ir saraksts ar mezgliem, kurus klients izmantos, lai atklātu klastera topoloģiju.
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 klasteris globālās lietojumprogrammās

Redis klasteris ir īpaši piemērots globālām lietojumprogrammām, kurām nepieciešama zema latentāte un augsta pieejamība ģeogrāfiski izkliedētos reģionos. Šeit ir daži bieži sastopami lietošanas gadījumi:

• Kešatmiņa: Izmantojiet Redis klasteri, lai kešotu bieži piekļūstamus datus, piemēram, lietotāju profilus, produktu katalogus un API atbildes. Izkliedējiet kešatmiņu vairākos reģionos, lai samazinātu latentāti lietotājiem dažādās pasaules daļās. Piemēram, e-komercijas platforma varētu kešot produktu informāciju datu centros, kas atrodas Ziemeļamerikā, Eiropā un Āzijā, nodrošinot ātru piekļuvi klientiem visā pasaulē.
• Sesiju pārvaldība: Uzglabājiet lietotāju sesiju datus Redis klasterī, lai nodrošinātu konsekventu un mērogojamu sesiju pārvaldības risinājumu. Replicējiet sesiju datus vairākos reģionos, lai nodrošinātu, ka lietotāji paliek pieteikušies pat tad, ja vienā reģionā notiek kļūme. Tas ir kritiski svarīgi lietojumprogrammām ar lielu lietotāju bāzi, kas izkaisīta dažādos kontinentos.
• Reāllaika analītika: Izmantojiet Redis klasteri, lai vāktu un apstrādātu reāllaika datu straumes, piemēram, vietņu datplūsmu, sociālo mediju plūsmas un sensoru datus. Redis klastera augstā caurlaidspēja un zemā latentāte padara to ideāli piemērotu reāllaika analītikas lietojumprogrammām. Piemēram, globāla ziņu organizācija varētu izmantot Redis klasteri, lai sekotu līdzi aktuālām tēmām un personalizētu ziņu plūsmas lietotājiem dažādās valstīs.
• Spēļu līderu saraksti: Ieviesiet reāllaika līderu sarakstus tiešsaistes spēlēm, izmantojot Redis klasteri. Redis atmiņas daba ļauj ārkārtīgi ātri atjaunināt un iegūt līderu saraksta datus, nodrošinot nevainojamu spēļu pieredzi spēlētājiem visā pasaulē.
• Ziņojumu rinda: Izmantojiet Redis klasteri kā ziņojumu starpnieku asinhronai saziņai starp dažādiem mikroservisiem. Redis klastera uzticamā ziņojumu piegāde un augstā caurlaidspēja padara to par labu izvēli izplatītu sistēmu veidošanai. Piemēram, kopbraukšanas lietotne varētu izmantot Redis klasteri, lai pārvaldītu braucienu pieprasījumus un nosūtītu autovadītājus reāllaikā.

Redis klasterizācijas labākās prakses

Lai nodrošinātu optimālu Redis klastera izvietojuma veiktspēju un uzticamību, apsveriet šādas labākās prakses:

• Izmantojiet konsekventu hešēšanas algoritmu: Redis klasteris izmanto konsekventu hešēšanas algoritmu, lai sadalītu datus starp mezgliem. Tas nodrošina, ka dati tiek vienmērīgi sadalīti un ka, pievienojot vai noņemot mezglus no klastera, ir jāpārvieto minimāls datu apjoms.
• Pārraugiet klasteri: Regulāri pārraugiet sava Redis klastera stāvokli un veiktspēju. Izmantojiet pārraudzības rīkus, lai sekotu galvenajiem rādītājiem, piemēram, CPU izmantošanai, atmiņas izmantošanai, tīkla datplūsmai un replikācijas aizkavei. Tas palīdzēs jums identificēt un atrisināt potenciālās problēmas, pirms tās ietekmē jūsu lietojumprogrammu.
• Konfigurējiet brīdinājumus: Iestatiet brīdinājumus, lai jūs informētu par kritiskiem notikumiem, piemēram, mezglu kļūmēm, augstu latentāti vai zemu atmiņas apjomu. Tas ļaus jums ātri reaģēt uz problēmām un samazināt dīkstāvi.
• Piemēroti nosakiet mezglu izmēru: Izvēlieties savam darba slodzei atbilstoša izmēra Redis instances. Apsveriet datu apjomu, kas jāuzglabā, paredzamo datplūsmas apjomu un jūsu lietojumprogrammas veiktspējas prasības. Labāk ir sākt ar mazākiem mezgliem un pēc vajadzības mērogot uz augšu, nekā sākt ar lieliem mezgliem, kas tiek nepietiekami izmantoti.
• Izmantojiet replicēšanu: Vienmēr izmantojiet replicēšanu, lai nodrošinātu datu redundanci un augstu pieejamību. Nepieciešamo replikāciju skaits būs atkarīgs no jūsu datu kritiskuma un vēlamā kļūmju tolerances līmeņa.
• Izvairieties no lielām atslēgām: Izvairieties no lielu vērtību glabāšanas Redis atslēgās, jo tas var ietekmēt veiktspēju. Ja jums ir nepieciešams uzglabāt lielu datu apjomu, apsveriet iespēju to sadalīt mazākos gabalos vai izmantot citu datu struktūru.
• Izmantojiet konveijeru (pipeline): Izmantojiet konveijeru (pipelining), lai nosūtītu vairākas komandas uz Redis serveri vienā pieprasījumā. Tas var ievērojami uzlabot veiktspēju, īpaši lietojumprogrammām, kas veic lielu skaitu mazu operāciju.
• Izmantojiet savienojumu pūlu: Izmantojiet savienojumu pūlu (connection pooling), lai atkārtoti izmantotu savienojumus ar Redis serveri. Tas var samazināt savienojumu izveides un iznīcināšanas pieskaitāmās izmaksas, uzlabojot veiktspēju.
• Nodrošiniet sava klastera drošību: Nodrošiniet sava Redis klastera drošību, iespējojot autentifikāciju un ierobežojot piekļuvi autorizētiem klientiem. Izmantojiet stipras paroles un regulāri tās mainiet. Apsveriet iespēju izmantot TLS šifrēšanu, lai aizsargātu datus pārsūtīšanas laikā.

Alternatīvas Redis klasterizācijai

Lai gan Redis klasterizācija ir spēcīgs risinājums Redis mērogošanai, ir arī citas alternatīvas, kuras apsvērt atkarībā no jūsu īpašajām vajadzībām:

• Twemproxy: Viegls starpniekserveris (proxy), kas var sadalīt Redis datus starp vairākām instancēm. To ir vieglāk iestatīt nekā Redis klasteri, bet tam trūkst automātiskas kļūmjpārlēces iespēju.
• Codis: Redis starpniekserveris, kas atbalsta datu sadalīšanu un automātisku kļūmjpārlēci. Tas nodrošina stabilāku risinājumu nekā Twemproxy, bet to ir arī sarežģītāk iestatīt.
• KeyDB Cluster: KeyDB ir augstas veiktspējas Redis atvasinājums (fork), kas piedāvā iebūvētas klasterizācijas iespējas, līdzīgas Redis klasterim. Tā bieži nodrošina labāku veiktspēju nekā Redis klasteris, pateicoties tās daudzpavedienu arhitektūrai.
• Mākoņpakalpojumos pārvaldīts Redis: Mākoņpakalpojumu sniedzēji, piemēram, AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) un Azure (Azure Cache for Redis), piedāvā pārvaldītus Redis pakalpojumus, kas automātiski nodrošina klasterizāciju, replicēšanu un kļūmjpārlēci. Tas var vienkāršot jūsu Redis infrastruktūras izvietošanu un pārvaldību.

Noslēgums

Redis klasterizācija nodrošina stabilu un mērogojamu risinājumu atmiņas datu pārvaldībai globāli izplatītās lietojumprogrammās. Izprotot tās arhitektūru, priekšrocības un labākās prakses, jūs varat izmantot Redis klasterizāciju, lai izveidotu augstas veiktspējas, augsti pieejamas un kļūmju tolerantas lietojumprogrammas, kas atbilst mūsdienu digitālās pasaules prasībām. Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat kešatmiņas slāni, sesiju pārvaldības sistēmu vai reāllaika analītikas platformu, Redis klasterizācija var palīdzēt sasniegt jūsu veiktspējas un mērogojamības mērķus.