近千节点的Redis Cluster高可用集群案例:优酷蓝鲸优化实战

在优酷，咱们使用 Redis Cluster 构建了一套内存存储系统，项目代号为蓝鲸。蓝鲸的设计目标是高效读写，全部数据都在内存中。蓝鲸的主要应用场景是 cookie 和大数据团队计算的数据，都具备较强的时效性，所以全部的数据都有过时时间。更准确的说蓝鲸是一个全内存的临时存储系统。

到目前为止集群规模逐渐增加到 700+ 节点，即将达到做者建议的最大集群规模 1,000 节点。咱们发现随着集群规模的扩大，带宽压力不断突出，而且响应时间 RT 方面也会略微升高。与一致性哈希构建的 Redis 集群不同，Redis Cluster 不能作成超大规模的集群，它比较适合做为中等规模集群的解决方案。

运维期间，吞吐量与 RT 一直做为衡量集群稳定性的重要指标，这里在本文中，咱们碰到的影响集群吞吐量与 RT 的一些问题与探索记录下来，但愿对你们有所帮助。

1 - Redis Cluster 工做原理

Redis 采用单进程模型，除去 bgsave 与 aof rewrite 会另外新建进程外，全部的请求与操做都在主进程内完成。其中比较重量级的请求与操做类型有：

1. 客户端请求
2. 集群通信
3. 从节同步
4. AOF 文件
5. 其它定时任务

Redis 服务端采用Reactor 设计模式，它是一种基于事件的编程模型，主要思想是将请求的处理流程划分红有序的事件序列，好比对于网络请求一般划分为：Accept new connections、Read input to buffer、Process request、 Response等几个事件。并在一个无限循环的 EventLoop 中不断的处理这些事件。更多关于Reactor，请参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Reactor 。

比较特别的是，Redis 中还存在一种时间事件，它实际上是定时任务，与请求事件同样，它一样在 EventLoop 中处理。Redis 主线程的主要处理流程以下图：

理解了 Redis 的单进程模型与主要负载状况，很容易明白，想要增长 Redis 吞吐量，只须要尽可能下降其它任务的负载量就好了，因此提升 Redis 集群吞吐量的方式主要有：

A) - 提升 Redis 集群吞吐的方法

1. 适当调大 cluster-node-timeout 参数

咱们发现当集群规模达到必定程度时，集群间消息通信开销的带宽是极其可观的。

集群通讯机制

Redis 集群采用无中心的方式，为了维护集群状态统一，节点之间须要互相交换消息。Redis采用交换消息的方式被称为 Gossip ，基本思想是节点之间互相交换信息最终全部节点达到一致，更多关于 Gossip 可参考 https://en.wikipedia.org/wiki/Gossip_protocol 。

总结集群通讯机制的一些要点：

• Who：集群中每一个节点
• When：定时发送，默认每隔一秒
• What：一个长度为 16,384 的 Bitmap 与集群中其它节点状态的十分之一

如何理解集群中节点状态的十分之一？假如集群中有 700 个节点，十分之一就是 70 个节点状态，节点状态具体数据结构见下边代码：

咱们将注意力放在数据包大小与流量上，每一个节点状态大小为 104 byte，因此对于 700 个节点的集群，这部分消息的大小为 70 * 104 = 7280，大约为 7KB。另外每一个 Gossip 消息还须要携带一个长度为 16,384 的 Bitmap，大小为 2KB，因此每一个 Gossip 消息大小大约为 9KB。

随着集群规模的不断扩大，每台主机的流量不断增加，咱们怀疑集群间通讯的流量已经大于前端请求产生的流量，因此作了如下实验以明确集群流量情况。

实验过程

实验环境为：节点 704，物理主机 40 台，每台物理主机有 16 个节点，集群采用一主一从模式，集群中节点 cluster-node-timeout 设置为 30 秒。

实验的大概思路为，分别截取一分钟时间内一个节点，在集群通讯端口上，进入方向与出去方向的流量，并统计出消息条数，并最终计算出台主机由于集群间通信产生的带宽开销。实验具体过程以下：

经过实验能看到进入方向与出去方向在 60s 内收到的数据包数量为 2,700 多个。由于 Redis 规定每一个节点每一秒只向一个节点发送数据包，因此正常状况每一个节点平均 60s 会收到 60 个数据包，为何会有这么大的差距？

原来考虑到 Redis 发送对象节点的选取是随机的，因此存在两个节点好久都没有交换消息的状况，为了保证集群状态能在较短期内达到一致性，Redis 规定当两个节点超过 cluster-node-timeout 的一半时间没有交换消息时，下次心跳交换消息。

解决了这个疑惑，接下来看带宽状况。先看 Redis Cluster 集群通讯端口进入方向每台主机的每秒带宽为：

通过以上实验咱们能得出两个结论：

集群间通讯占用大量带宽资源 调整 cluster-node-timeout 参数能有效下降带宽

Redis Cluster 断定节点为 fail 的机制

可是并非 cluster-node-timeout 越大越好。当 cluster-node-timeou 增大的时候集群判断节点 fail 的时间会增长，从而 failover 的时间窗口会增长。集群断定节点为fail所需时间的计算公式以下：

当节点向失败节点发出 PING 消息，而且在 cluster-node-timeout 时间内尚未收到失败节点的 PONG 消息，此时断定它为 pfail 。pfail 即部分失败，它是一种中间状态，该状态随着集群心跳不断传播。再通过一半 cluster-node-timeout 时间后，全部节点都与失败的节点发生过心跳而且把它标记为 pfail 。固然也可能不须要这么长时间，由于其它节点之间的心跳一样会传递 pfail 状态，这里姑且以最大时间计算。

Redis Cluster 规定当集群中超过一半以上节点认为一个节点为 pfail 状态时，会把它标记为 fail 状态，并广播给其余全部节点。对于每一个节点而言平均一秒钟收到一个心跳包，每次心跳都会携带随机的十分之一的节点个数。因此如今问题抽像为通过多长时间一个节点会积累到一半的 pfail 状态数。这是一个几率问题，由于我的并不擅长几率计算，这里直接取了一个较大几率能知足条件的数值 10。

因此上述公式不是达到这么长时间必定会断定节点为 fail，而是通过这么长时间集群有很大几率会断定节点 fail 。

Redis Cluster 默认 cluster-node-timeout 为 15s，咱们将它设置成了 30s。也就是说 700 节点的集群，集群间带宽开销为 104.5MBit / s，断定节点失败时间窗口大概为 55s，实际上大多数状况都小于 55s，由于上边的计算都是按照高位时间估算的。

总而言之，对于大的 Redis 集群 cluster-node-timeout 参数的须要谨慎设定。

提升 Redis 集群吞吐的方法 2. 控制主节点写命令传播

Redis 中主节点的每一个写命令传播到如下三个地方：

本地 AOF 文件，以持久化持数据 主节点的全部从节点，以保持主从数据同步 本节点的 repl_backlog 缓存，主要为了支持部分同步功能，详见官网 Replcation 文档 Partial resynchronization 部分：http://redis.io/topics/replication

其中 repl_backlog 部分传播在 replicationFeedSlaves 函数中完成。

减小从节点的数量

高可用的集群不该该出现单点，因此 Redis 集群通常都会是主从模式。Redis 的主从同步机制是全部的主节点的写请求，会同步到全部的从节点。若是没有从节点，对于主节点来讲，它只须要处理该请求便可。但对于有 N 个从节点的主节点来讲，它须要额外的将请求传播给 N 个从节点。请注意这里是对于每一个写请求都会这样处理。显而易见从节点的数量对主节点的吞吐量的影响是比较大的，咱们采用的是一主一从模式。

由于从节点不须要同步数据，生产环境中观察主节点的 CPU 占用率要比从节点机器要高，这对这条结论起到了佐证的做用。

关闭 AOF 功能

若是开启 AOF 功能，每一个写请求都会 Append 到本地 AOF 文件中，虽然 Linux 中写文件操做会利用到操做系统缓存机制，可是若是关闭 AOF 功能主线程中省去了写 AOF 文件的操做，显然会对吞吐量的增长有帮助。

AOF 是 Redis 的一种持久化方式，若是关闭了 AOF 功能怎么保证数据的安全性。咱们的作法是定时在从节点 BGSAVE。固然具体采用何种策略须要结合具体状况来决定。

去掉频繁的 Cluster nodes 命令

在运维过程当中发现前端请求的平均 RT 增长很多，大概 50% 左右。经过一番调研，发现是频繁的 cluster nodes 命令致使。

当时集群规模为 500+ 节点，cluster nodes 命令返回的结果大小有 103KB。cluster nodes 命令的频率为：每隔 20s 向集群全部节点发送。

提升 Redis 集群吞吐的方法 3. 调优 hz 参数

Redis 会定时作一些任务，任务频率由 hz 参数规定，定时任务主要包含：

主动清除过时数据 对数据库进行渐式Rehash 处理客户端超时 更新请求统计信息 发送集群心跳包 发送主从心跳

如下是做者对于 hz 参数的介绍：

咱们没有修改 hz 参数的经验，因为其复杂性，而且在 hz 默认值 10 的状况下，理论上不会对 Redis 吞吐量产生太大影响，建议没有经验的状况下不要修改该参数。

参考资料

关于 Redis Cluster 能够参考官方的两篇文档：

Redis cluster tutorial: http://www.redis.io/topics/cluster-tutorial Redis Cluster specification: http://www.redis.io/topics/cluster-spec