Redis Clustering: Škálovanie vašej in-memory databázy pre globálne aplikácie

V dnešnom rýchlom digitálnom svete si aplikácie vyžadujú bleskový prístup k dátam a schopnosť zvládnuť obrovské množstvo požiadaviek. In-memory databázy (IMDB) ako Redis sa stali nevyhnutnými komponentmi na dosiahnutie tohto výkonu. Jedna inštancia Redis sa však dá škálovať len do určitej miery. A práve tu prichádza na rad Redis Clustering, ktorý ponúka horizontálnu škálovateľnosť, vysokú dostupnosť a odolnosť voči chybám pre vaše globálne distribuované aplikácie.

Čo je Redis Clustering?

Redis Cluster je distribuovaná implementácia Redis, ktorá automaticky rozdeľuje (sharduje) dáta medzi viaceré uzly Redis. Na rozdiel od nastavení s jednou inštanciou dokáže Redis Cluster spracovať dátové sady, ktoré presahujú pamäťovú kapacitu jedného servera. Taktiež poskytuje vysokú dostupnosť replikáciou dát naprieč viacerými uzlami, čím zaisťuje, že vaša aplikácia zostane funkčná aj v prípade zlyhania niektorých uzlov.

Predstavte si to ako distribúciu obrovskej knižnice (vašich dát) medzi viaceré pobočky (uzly Redis) v rôznych mestách. Každá pobočka obsahuje podmnožinu kníh (dát), a ak sa jedna pobočka zatvorí (zlyhanie uzla), ostatné pobočky majú kópie najdôležitejších kníh (replikácia dát), aby mohli naďalej slúžiť komunite.

Kľúčové výhody Redis Clusteringu

• Horizontálna škálovateľnosť: Jednoducho škálujte svoje nasadenie Redis pridaním ďalších uzlov do klastra. To vám umožní zvládnuť rastúce objemy dát a prevádzky bez výrazného zníženia výkonu. Na rozdiel od vertikálneho škálovania (pridávanie ďalších zdrojov na jeden server) ponúka horizontálne škálovanie nákladovo efektívnejší a flexibilnejší prístup.
• Vysoká dostupnosť: Redis Cluster automaticky deteguje zlyhania uzlov a povyšuje replika uzly na master uzly, čím zaisťuje minimálne prestoje. Replikácia dát zaručuje, že v prípade zlyhania nedôjde k strate dát. Toto je kľúčové pre aplikácie, ktoré vyžadujú nepretržitú dostupnosť, ako sú e-commerce platformy alebo analytické panely v reálnom čase.
• Odolnosť voči chybám: Klaster môže pokračovať v prevádzke, aj keď niektoré uzly zlyhajú. To sa dosahuje pomocou replikácie dát a mechanizmov automatického zotavenia po zlyhaní (failover). A systém je odolný voči chybám, keď dokáže zvládnuť neočakávané hardvérové alebo softvérové chyby bez výrazného narušenia.
• Automatický sharding dát: Redis Cluster automaticky distribuuje dáta medzi viaceré uzly pomocou konzistentného hašovacieho algoritmu. To zaisťuje, že dáta sú rovnomerne rozdelené a každý uzol zvláda primeranú záťaž. Proces shardingu je pre aplikáciu transparentný, čo znamená, že nemusíte manuálne spravovať distribúciu dát.
• Replikácia dát: Každý master uzol môže mať viacero replika uzlov, ktoré sú automaticky synchronizované s master uzlom. To zaisťuje redundanciu dát a umožňuje, aby sa operácie čítania distribuovali medzi viaceré uzly, čo ďalej zlepšuje výkon.

Architektúra Redis Cluster

Redis Cluster sa skladá z nasledujúcich komponentov:

• Uzly: Každý uzol v klastri je inštancia Redis, ktorá ukladá časť dát. Uzly môžu byť buď master uzly alebo replika uzly.
• Master uzly: Master uzly sú zodpovedné za spracovanie operácií zápisu a obsluhu operácií čítania. Každý master uzol vlastní podmnožinu dát v klastri.
• Replika uzly: Replika uzly sú kópiami master uzlov. Používajú sa na poskytovanie redundancie dát a môžu tiež obsluhovať operácie čítania. Ak master uzol zlyhá, jeden z jeho replika uzlov je automaticky povýšený na nového mastera.
• Hašovacie sloty: Redis Cluster používa konzistentný hašovací algoritmus na distribúciu dát medzi uzly. Kľúčový priestor je rozdelený na 16384 hašovacích slotov. Každý master uzol je zodpovedný za podmnožinu týchto slotov. Keď klient chce získať prístup ku konkrétnemu kľúču, vypočíta hašovací slot pre daný kľúč a odošle požiadavku master uzlu, ktorý daný slot vlastní.
• Zbernica klastra (Cluster Bus): Uzly navzájom komunikujú pomocou špeciálneho komunikačného kanála nazývaného zbernica klastra. Zbernica klastra používa gossip protokol na výmenu informácií o topológii klastra, stavoch uzlov a vlastníctve dát. To umožňuje uzlom automaticky sa navzájom objavovať a udržiavať konzistentný pohľad na klaster.

Nastavenie Redis Cluster

Nastavenie Redis Cluster zahŕňa nasledujúce kroky:

1. Inštalácia Redis: Uistite sa, že máte Redis nainštalovaný na všetkých serveroch, ktoré budú súčasťou klastra. Odporúča sa použiť najnovšiu stabilnú verziu Redis pre optimálny výkon a bezpečnosť.
2. Konfigurácia inštancií Redis: Nakonfigurujte každú inštanciu Redis tak, aby bežala v režime klastra. To zahŕňa nastavenie voľby cluster-enabled na yes v súbore redis.conf. Taktiež je potrebné nakonfigurovať voľby cluster-config-file a cluster-node-timeout.
3. Vytvorenie klastra: Použite príkaz redis-cli --cluster create na vytvorenie klastra. Tento príkaz prijíma ako argumenty zoznam inštancií Redis a automaticky ich nakonfiguruje tak, aby vytvorili klaster. Príkaz tiež automaticky priradí hašovacie sloty master uzlom.
4. Pridanie replika uzlov: Pridajte replika uzly do klastra pomocou príkazu redis-cli --cluster add-node. Tento príkaz prijíma ako argumenty adresu replika uzla a adresu master uzla. Príkaz automaticky nakonfiguruje replika uzol na replikáciu dát z master uzla.
5. Testovanie klastra: Overte, či klaster funguje správne, pripojením sa k nemu pomocou redis-cli a vykonaním niekoľkých základných operácií, ako je nastavenie a získanie kľúčov. Môžete tiež použiť príkaz redis-cli cluster info na zobrazenie stavu klastra a overenie, či všetky uzly fungujú správne.

Príklad: Vytvorenie Redis Cluster so 6 uzlami (3 master, 3 repliky)

Predpokladajme, že máte 6 serverov s nasledujúcimi IP adresami a portami:

• 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 zo serverov (napr. 192.168.1.101) spustite nasledujúci príkaz:

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 príkaz vytvorí klaster s 3 master uzlami a 3 replika uzlami, pričom každý master bude mať jednu repliku.

Pripojenie k Redis Cluster

Pripojenie k Redis Cluster je trochu odlišné od pripojenia k jednej inštancii Redis. Musíte použiť klienta Redis, ktorý podporuje režim klastra. Títo klienti zvyčajne používajú zbernicu klastra na objavenie uzlov v klastri a smerovanie požiadaviek na príslušné master uzly.

Väčšina klientov Redis poskytuje vstavanú podporu pre Redis Clustering. Zvyčajne budete musieť klientovi poskytnúť zoznam počiatočných uzlov (t. j. známych adries niektorých uzlov v klastri). Klient potom použije tieto počiatočné uzly na objavenie zvyšku topológie klastra.

Príklad: Pripojenie k Redis Cluster pomocou Pythonu (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Počiatočné uzly sú zoznamom uzlov, ktoré klient použije na objavenie topológie klastra.
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 globálnych aplikáciách

Redis Cluster je obzvlášť vhodný pre globálne aplikácie, ktoré vyžadujú nízku latenciu a vysokú dostupnosť naprieč geograficky distribuovanými regiónmi. Tu sú niektoré bežné prípady použitia:

• Caching (ukladanie do vyrovnávacej pamäte): Použite Redis Cluster na cachovanie často pristupovaných dát, ako sú používateľské profily, katalógy produktov a odpovede API. Distribuujte cache naprieč viacerými regiónmi, aby ste minimalizovali latenciu pre používateľov v rôznych častiach sveta. Napríklad e-commerce platforma by mohla cachovať detaily produktov v dátových centrách v Severnej Amerike, Európe a Ázii, čím by zabezpečila rýchly prístup pre zákazníkov na celom svete.
• Správa relácií (Session Management): Ukladajte dáta o používateľských reláciách do Redis Cluster, aby ste poskytli konzistentné a škálovateľné riešenie správy relácií. Replikujte dáta relácií naprieč viacerými regiónmi, aby ste zaistili, že používatelia zostanú prihlásení aj v prípade zlyhania v jednom regióne. Toto je kľúčové pre aplikácie s veľkou používateľskou základňou rozloženou na rôznych kontinentoch.
• Analytika v reálnom čase: Použite Redis Cluster na zber a spracovanie dátových tokov v reálnom čase, ako sú návštevnosť webových stránok, kanály sociálnych médií a dáta zo senzorov. Vysoká priepustnosť a nízka latencia Redis Cluster ho robia ideálnym pre aplikácie analytiky v reálnom čase. Globálna spravodajská organizácia by napríklad mohla použiť Redis Cluster na sledovanie populárnych tém a personalizáciu spravodajských kanálov pre používateľov v rôznych krajinách.
• Herné rebríčky: Implementujte rebríčky v reálnom čase pre online hry pomocou Redis Cluster. In-memory povaha Redis umožňuje extrémne rýchle aktualizácie a získavanie dát z rebríčkov, čo poskytuje plynulý herný zážitok pre hráčov po celom svete.
• Fronty správ (Message Queuing): Použite Redis Cluster ako sprostredkovateľa správ (message broker) pre asynchrónnu komunikáciu medzi rôznymi mikroslužbami. Spoľahlivé doručovanie správ a vysoká priepustnosť Redis Cluster z neho robia dobrú voľbu pre budovanie distribuovaných systémov. Napríklad aplikácia na privolanie odvozu by mohla použiť Redis Cluster na správu požiadaviek na odvoz a dispečing vodičov v reálnom čase.

Osvedčené postupy pre Redis Clustering

Na zabezpečenie optimálneho výkonu a spoľahlivosti vášho nasadenia Redis Cluster zvážte nasledujúce osvedčené postupy:

• Používajte konzistentný hašovací algoritmus: Redis Cluster používa konzistentný hašovací algoritmus na distribúciu dát medzi uzly. To zaisťuje, že dáta sú rovnomerne rozdelené a že pri pridávaní alebo odstraňovaní uzlov z klastra je potrebné presunúť minimálne množstvo dát.
• Monitorujte klaster: Pravidelne monitorujte stav a výkon vášho Redis Cluster. Používajte monitorovacie nástroje na sledovanie kľúčových metrík, ako sú využitie CPU, využitie pamäte, sieťová prevádzka a oneskorenie replikácie. To vám pomôže identifikovať a riešiť potenciálne problémy skôr, ako ovplyvnia vašu aplikáciu.
• Nakonfigurujte upozornenia: Nastavte upozornenia, ktoré vás budú informovať o kritických udalostiach, ako sú zlyhania uzlov, vysoká latencia alebo nízka pamäť. To vám umožní rýchlo reagovať na problémy a minimalizovať prestoje.
• Správne dimenzujte uzly: Vyberte správnu veľkosť inštancií Redis pre vašu pracovnú záťaž. Zvážte množstvo dát, ktoré potrebujete uložiť, očakávaný objem prevádzky a požiadavky na výkon vašej aplikácie. Je lepšie začať s menšími uzlami a podľa potreby ich zväčšovať, než začať s veľkými uzlami, ktoré sú nedostatočne využité.
• Používajte replikáciu: Vždy používajte replikáciu na zabezpečenie redundancie dát a vysokej dostupnosti. Počet replík, ktoré potrebujete, bude závisieť od kritickosti vašich dát a požadovanej úrovne odolnosti voči chybám.
• Vyhnite sa veľkým kľúčom: Vyhnite sa ukladaniu veľkých hodnôt do kľúčov Redis, pretože to môže ovplyvniť výkon. Ak potrebujete uložiť veľké množstvo dát, zvážte ich rozdelenie na menšie časti alebo použitie inej dátovej štruktúry.
• Používajte pipelining: Používajte pipelining na odoslanie viacerých príkazov na server Redis v jednej požiadavke. To môže výrazne zlepšiť výkon, najmä pre aplikácie, ktoré vykonávajú veľký počet malých operácií.
• Používajte connection pooling: Používajte connection pooling na opätovné použitie pripojení k serveru Redis. To môže znížiť réžiu spojenú s vytváraním a rušením pripojení, čím sa zlepší výkon.
• Zabezpečte svoj klaster: Zabezpečte svoj Redis Cluster povolením autentifikácie a obmedzením prístupu na autorizovaných klientov. Používajte silné heslá a pravidelne ich obmieňajte. Zvážte použitie šifrovania TLS na ochranu dát pri prenose.

Alternatívy k Redis Clusteringu

Hoci je Redis Clustering výkonným riešením na škálovanie Redis, existujú aj iné alternatívy, ktoré treba zvážiť v závislosti od vašich špecifických potrieb:

• Twemproxy: Ľahký proxy server, ktorý dokáže shardovať dáta Redis naprieč viacerými inštanciami. Jeho nastavenie je jednoduchšie ako v prípade Redis Cluster, ale chýbajú mu schopnosti automatického zotavenia po zlyhaní.
• Codis: Redis proxy, ktoré podporuje sharding dát a automatické zotavenie po zlyhaní. Poskytuje robustnejšie riešenie ako Twemproxy, ale jeho nastavenie je tiež zložitejšie.
• KeyDB Cluster: KeyDB je vysokovýkonný fork Redis, ktorý ponúka vstavané klastrovacie schopnosti podobné Redis Cluster. Vďaka svojej viacvláknovej architektúre často poskytuje lepší výkon ako Redis Cluster.
• Cloudom spravovaný Redis: Poskytovatelia cloudu ako AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) a Azure (Azure Cache for Redis) ponúkajú spravované služby Redis, ktoré sa automaticky starajú o klastrovanie, replikáciu a zotavenie po zlyhaní. To môže zjednodušiť nasadenie a správu vašej infraštruktúry Redis.

Záver

Redis Clustering poskytuje robustné a škálovateľné riešenie pre správu in-memory dát v globálne distribuovaných aplikáciách. Porozumením jeho architektúry, výhod a osvedčených postupov môžete využiť Redis Clustering na budovanie vysokovýkonných, vysoko dostupných a voči chybám odolných aplikácií, ktoré spĺňajú požiadavky dnešného digitálneho sveta. Či už budujete cachovaciu vrstvu, systém na správu relácií alebo platformu pre analytiku v reálnom čase, Redis Clustering vám môže pomôcť dosiahnuť vaše ciele v oblasti výkonu a škálovateľnosti.