Redis Clustering: Skaliranje vaše pomnilniške podatkovne baze za globalne aplikacije

V današnjem hitrem digitalnem svetu aplikacije zahtevajo bliskovit dostop do podatkov in sposobnost obvladovanja ogromnih količin prometa. Pomnilniške podatkovne baze (IMDB), kot je Redis, so postale ključne komponente za doseganje te zmogljivosti. Vendar pa se ena sama instanca Redis lahko skalira le do določene mere. Tu nastopi Redis Clustering, ki ponuja horizontalno skalabilnost, visoko razpoložljivost in odpornost na napake za vaše globalno porazdeljene aplikacije.

Kaj je Redis Clustering?

Redis Cluster je porazdeljena implementacija Redis, ki samodejno razdeli podatke med več vozlišč Redis. Za razliko od nastavitev z eno instanco lahko Redis Cluster obravnava nize podatkov, ki presegajo pomnilniško zmogljivost enega samega strežnika. Prav tako zagotavlja visoko razpoložljivost z replikacijo podatkov med več vozlišči, kar zagotavlja, da vaša aplikacija ostane delujoča tudi v primeru odpovedi nekaterih vozlišč.

Predstavljajte si to kot porazdelitev ogromne knjižnice (vaših podatkov) med več podružnic (vozlišč Redis) v različnih mestih. Vsaka podružnica vsebuje del knjig (podatkov), in če se ena podružnica zapre (odpoved vozlišča), imajo druge podružnice kopije najpomembnejših knjig (replikacija podatkov), da lahko še naprej služijo skupnosti.

Ključne prednosti Redis Clusteringa

• Horizontalna skalabilnost: Preprosto skalirajte svojo namestitev Redis z dodajanjem več vozlišč v gručo. To vam omogoča obvladovanje naraščajočih količin podatkov in prometa brez znatnega poslabšanja zmogljivosti. Za razliko od vertikalnega skaliranja (dodajanje več virov enemu strežniku) horizontalno skaliranje ponuja stroškovno učinkovitejši in prilagodljivejši pristop.
• Visoka razpoložljivost: Redis Cluster samodejno zazna odpovedi vozlišč in poviša replike v glavna vozlišča (master), kar zagotavlja minimalen čas nedelovanja. Replikacija podatkov zagotavlja, da se podatki v primeru napake ne izgubijo. To je ključnega pomena za aplikacije, ki zahtevajo neprekinjeno razpoložljivost, kot so platforme za e-trgovino ali nadzorne plošče za analitiko v realnem času.
• Odpornost na napake: Gruča lahko deluje naprej, tudi če nekatera vozlišča odpovejo. To se doseže z replikacijo podatkov in mehanizmi za samodejno preklapljanje ob napaki. Sistem je odporen na napake, ko lahko obravnava nepričakovane strojne ali programske napake brez večjih motenj.
• Samodejno razdeljevanje podatkov: Redis Cluster samodejno porazdeli podatke med več vozlišči z uporabo algoritma za konsistentno zgoščevanje. To zagotavlja, da so podatki enakomerno porazdeljeni in da vsako vozlišče obravnava razumno količino obremenitve. Proces razdeljevanja je za aplikacijo pregleden, kar pomeni, da vam ni treba ročno upravljati porazdelitve podatkov.
• Replikacija podatkov: Vsako glavno vozlišče ima lahko več replik, ki se samodejno sinhronizirajo z glavnim vozliščem. To zagotavlja redundanco podatkov in omogoča, da se bralne operacije porazdelijo med več vozlišč, kar dodatno izboljša zmogljivost.

Arhitektura Redis Cluster

Redis Cluster sestavljajo naslednje komponente:

• Vozlišča: Vsako vozlišče v gruči je instanca Redis, ki shranjuje del podatkov. Vozlišča so lahko glavna (master) ali replike.
• Glavna vozlišča: Glavna vozlišča so odgovorna za obravnavo operacij pisanja in branja. Vsako glavno vozlišče ima v lasti del podatkov v gruči.
• Replike: Replike so kopije glavnih vozlišč. Uporabljajo se za zagotavljanje redundance podatkov in lahko služijo tudi za bralne operacije. Če glavno vozlišče odpove, je ena od njegovih replik samodejno povišana v novo glavno vozlišče.
• Zgoščevalne reže (Hashing Slots): Redis Cluster uporablja algoritem za konsistentno zgoščevanje za porazdelitev podatkov med vozlišči. Prostor ključev je razdeljen na 16384 zgoščevalnih rež. Vsako glavno vozlišče je odgovorno za del teh rež. Ko želi odjemalec dostopiti do določenega ključa, izračuna zgoščevalno režo za ta ključ in pošlje zahtevo glavnemu vozlišču, ki je lastnik te reže.
• Vodilo gruče (Cluster Bus): Vozlišča med seboj komunicirajo prek posebnega komunikacijskega kanala, imenovanega vodilo gruče. Vodilo gruče uporablja protokol gossip za izmenjavo informacij o topologiji gruče, stanjih vozlišč in lastništvu podatkov. To omogoča vozliščem, da se samodejno odkrijejo in ohranjajo dosleden pogled na gručo.

Vzpostavitev Redis Clusterja

Vzpostavitev Redis Clusterja vključuje naslednje korake:

1. Namestitev Redis: Zagotovite, da imate Redis nameščen na vseh strežnikih, ki bodo del gruče. Priporočljivo je uporabljati najnovejšo stabilno različico Redis za optimalno delovanje in varnost.
2. Konfiguracija instanc Redis: Vsako instanco Redis konfigurirajte za delovanje v načinu gruče. To vključuje nastavitev možnosti cluster-enabled na yes v datoteki redis.conf. Prav tako morate konfigurirati možnosti cluster-config-file in cluster-node-timeout.
3. Ustvarjanje gruče: Uporabite ukaz redis-cli --cluster create za ustvarjanje gruče. Ta ukaz sprejme seznam instanc Redis kot argumente in jih samodejno konfigurira v gručo. Ukaz bo tudi samodejno dodelil zgoščevalne reže glavnim vozliščem.
4. Dodajanje replik: Dodajte replike v gručo z ukazom redis-cli --cluster add-node. Ta ukaz sprejme naslov replike in naslov glavnega vozlišča kot argumenta. Ukaz bo samodejno konfiguriral repliko za replikacijo podatkov z glavnega vozlišča.
5. Testiranje gruče: Preverite, ali gruča deluje pravilno, tako da se nanjo povežete z redis-cli in izvedete nekaj osnovnih operacij, kot sta nastavljanje in pridobivanje ključev. Uporabite lahko tudi ukaz redis-cli cluster info za ogled stanja gruče in preverjanje, ali vsa vozlišča delujejo pravilno.

Primer: Ustvarjanje Redis Clusterja s 6 vozlišči (3 glavna, 3 replike)

Recimo, da imate 6 strežnikov z naslednjimi IP naslovi in vrati:

• 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 enem od strežnikov (npr. 192.168.1.101) zaženite naslednji ukaz:

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

Ta ukaz bo ustvaril gručo s 3 glavnimi vozlišči in 3 replikami, pri čemer bo vsako glavno vozlišče imelo eno repliko.

Povezovanje z Redis Clusterjem

Povezovanje z Redis Clusterjem se nekoliko razlikuje od povezovanja z eno samo instanco Redis. Uporabiti morate odjemalca Redis, ki podpira način gruče. Ti odjemalci običajno uporabljajo vodilo gruče za odkrivanje vozlišč v gruči in usmerjanje zahtev na ustrezna glavna vozlišča.

Večina odjemalcev Redis ponuja vgrajeno podporo za Redis Clustering. Običajno boste morali odjemalcu posredovati seznam začetnih vozlišč (t.j. znanih naslovov nekaterih vozlišč v gruči). Odjemalec bo nato uporabil ta začetna vozlišča za odkrivanje preostale topologije gruče.

Primer: Povezovanje z Redis Clusterjem z uporabo Pythona (redis-py-cluster)

from rediscluster import RedisCluster

# Začetna vozlišča so seznam vozlišč, ki jih odjemalec uporabi za odkrivanje topologije gruče.
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 globalnih aplikacijah

Redis Cluster je še posebej primeren za globalne aplikacije, ki zahtevajo nizko zakasnitev in visoko razpoložljivost v geografsko porazdeljenih regijah. Tu je nekaj pogostih primerov uporabe:

• Predpomnjenje (Caching): Uporabite Redis Cluster za predpomnjenje pogosto dostopanih podatkov, kot so uporabniški profili, katalogi izdelkov in odgovori API-jev. Porazdelite predpomnilnik med več regij, da zmanjšate zakasnitev za uporabnike v različnih delih sveta. Na primer, platforma za e-trgovino bi lahko predpomnila podrobnosti o izdelkih v podatkovnih centrih v Severni Ameriki, Evropi in Aziji, kar bi zagotovilo hiter dostop za stranke po vsem svetu.
• Upravljanje sej: Shranjujte podatke o uporabniških sejah v Redis Cluster za zagotavljanje dosledne in skalabilne rešitve za upravljanje sej. Replicirajte podatke o sejah med več regijami, da zagotovite, da uporabniki ostanejo prijavljeni tudi v primeru napake v eni regiji. To je ključnega pomena za aplikacije z veliko bazo uporabnikov, razpršeno po različnih celinah.
• Analitika v realnem času: Uporabite Redis Cluster za zbiranje in obdelavo podatkovnih tokov v realnem času, kot so promet na spletnih straneh, viri družbenih medijev in podatki senzorjev. Visoka prepustnost in nizka zakasnitev Redis Clusterja ga delata idealnega za aplikacije za analitiko v realnem času. Globalna novičarska organizacija bi na primer lahko uporabila Redis Cluster za sledenje priljubljenim temam in personalizacijo novic za uporabnike v različnih državah.
• Lestvice najboljših v igrah: Implementirajte lestvice najboljših v realnem času za spletne igre z uporabo Redis Clusterja. Pomnilniška narava Redis omogoča izjemno hitre posodobitve in pridobivanje podatkov z lestvic, kar zagotavlja brezhibno igralno izkušnjo za igralce po vsem svetu.
• Čakalne vrste sporočil: Uporabite Redis Cluster kot posrednika sporočil za asinhrono komunikacijo med različnimi mikroservisi. Zanesljiva dostava sporočil in visoka prepustnost Redis Clusterja ga delata dobro izbiro za gradnjo porazdeljenih sistemov. Na primer, aplikacija za prevoze bi lahko uporabila Redis Cluster za upravljanje zahtevkov za prevoz in pošiljanje voznikov v realnem času.

Najboljše prakse za Redis Clustering

Za zagotovitev optimalnega delovanja in zanesljivosti vaše namestitve Redis Cluster upoštevajte naslednje najboljše prakse:

• Uporaba algoritma za konsistentno zgoščevanje: Redis Cluster uporablja algoritem za konsistentno zgoščevanje za porazdelitev podatkov med vozlišči. To zagotavlja, da so podatki enakomerno porazdeljeni in da je treba ob dodajanju ali odstranjevanju vozlišč iz gruče premakniti minimalno količino podatkov.
• Nadzorovanje gruče: Redno spremljajte zdravje in delovanje vašega Redis Clusterja. Uporabite orodja za nadzor za sledenje ključnim metrikam, kot so uporaba CPU, uporaba pomnilnika, omrežni promet in zamik replikacije. To vam bo pomagalo prepoznati in odpraviti morebitne težave, preden vplivajo na vašo aplikacijo.
• Konfiguracija opozoril: Nastavite opozorila, ki vas obvestijo o kritičnih dogodkih, kot so odpovedi vozlišč, visoka zakasnitev ali nizek pomnilnik. To vam bo omogočilo hiter odziv na težave in zmanjšanje časa nedelovanja.
• Pravilno dimenzioniranje vozlišč: Izberite pravo velikost instanc Redis za vašo delovno obremenitev. Upoštevajte količino podatkov, ki jih morate shraniti, pričakovani obseg prometa in zahteve glede zmogljivosti vaše aplikacije. Bolje je začeti z manjšimi vozlišči in jih po potrebi povečevati, kot pa začeti z velikimi, ki so premalo izkoriščena.
• Uporaba replikacije: Vedno uporabljajte replikacijo za zagotavljanje redundance podatkov in visoke razpoložljivosti. Število replik, ki jih potrebujete, bo odvisno od kritičnosti vaših podatkov in želene stopnje odpornosti na napake.
• Izogibanje velikim ključem: Izogibajte se shranjevanju velikih vrednosti v ključih Redis, saj lahko to vpliva na zmogljivost. Če morate shraniti velike količine podatkov, razmislite o razdelitvi na manjše kose ali uporabi drugačne podatkovne strukture.
• Uporaba cevovoda (Pipeline): Uporabite cevovod za pošiljanje več ukazov strežniku Redis v eni sami zahtevi. To lahko znatno izboljša zmogljivost, zlasti za aplikacije, ki izvajajo veliko število majhnih operacij.
• Uporaba združevanja povezav (Connection Pooling): Uporabite združevanje povezav za ponovno uporabo povezav s strežnikom Redis. To lahko zmanjša stroške ustvarjanja in uničevanja povezav ter izboljša zmogljivost.
• Zavarovanje vaše gruče: Zavarujte svoj Redis Cluster z omogočanjem avtentikacije in omejevanjem dostopa na pooblaščene odjemalce. Uporabljajte močna gesla in jih redno menjajte. Razmislite o uporabi šifriranja TLS za zaščito podatkov med prenosom.

Alternative za Redis Clustering

Čeprav je Redis Clustering močna rešitev za skaliranje Redis, obstajajo tudi druge alternative, ki jih je vredno razmisliti glede na vaše specifične potrebe:

• Twemproxy: Lahek posredniški strežnik, ki lahko razdeli podatke Redis med več instanc. Njegova nastavitev je enostavnejša kot pri Redis Cluster, vendar nima zmožnosti samodejnega preklapljanja ob napaki.
• Codis: Posredniški strežnik za Redis, ki podpira razdeljevanje podatkov in samodejno preklapljanje ob napaki. Ponuja robustnejšo rešitev kot Twemproxy, vendar je tudi bolj zapleten za nastavitev.
• KeyDB Cluster: KeyDB je visoko zmogljiva različica Redis, ki ponuja vgrajene zmožnosti združevanja v gruče, podobne Redis Clusterju. Pogosto ponuja boljšo zmogljivost kot Redis Cluster zaradi svoje večnitne arhitekture.
• Upravljani Redis v oblaku: Ponudniki storitev v oblaku, kot so AWS (Amazon ElastiCache for Redis), Google Cloud (Memorystore for Redis) in Azure (Azure Cache for Redis), ponujajo upravljane storitve Redis, ki samodejno skrbijo za združevanje, replikacijo in preklapljanje ob napaki. To lahko poenostavi uvajanje in upravljanje vaše infrastrukture Redis.

Zaključek

Redis Clustering ponuja robustno in skalabilno rešitev za upravljanje pomnilniških podatkov v globalno porazdeljenih aplikacijah. Z razumevanjem njegove arhitekture, prednosti in najboljših praks lahko izkoristite Redis Clustering za gradnjo visoko zmogljivih, visoko razpoložljivih in na napake odpornih aplikacij, ki ustrezajo zahtevam današnjega digitalnega sveta. Ne glede na to, ali gradite plast za predpomnjenje, sistem za upravljanje sej ali platformo za analitiko v realnem času, vam Redis Clustering lahko pomaga doseči vaše cilje glede zmogljivosti in skalabilnosti.