Redis是什么
Redis是現在最受歡迎的NoSQL數據庫之一，Redis是一個使用ANSI C編寫的開源、包含多種數據結構、支持網絡、基於內存、可選持久性的鍵值對存儲數據庫，其具備如下特性：
· 基於內存運行，性能高效
· 支持分布式，理論上可以無限擴展
· key-value存儲系統
· 開源的使用ANSI C語言編寫、遵守BSD協議、支持網絡、可基於內存亦可持久化的日志型、Key-Value數據庫，並提供多種語言的API
Ⅰ-主從（master-salver）2.8之前
redis同mysql一樣，雖然讀寫都很快，但是也會產生讀寫壓力大的情況。為了分擔讀的壓力，Redis支持主從復制，master進行寫操作，slave進行讀操作。Redis的主從結構可以采用一主多從或者級聯結構，Redis主從復制可以根據是否是全量分為全量同步和增量同步
Ⅱ-哨兵（sentinel）2.8之后
由於redis單一的主從復制模式下，容災性較差，當集群中master由於故障下線了，那么slaver因為沒有master而同步中斷，因而需要人工進行故障轉移工作。
Redis在2.8之后的版本提供了一種高可用的方案——哨兵模式（Sentinel），由一個或者多個哨兵節點組成Sentinel系統用於監聽一個或多個redis集群，監聽群內主節點以及其從節點服務提供狀態，並且當監聽的redis集群中master下線后，從master的從屬節點中選舉出新的master並維護新的主從關系。
注：哨兵監視redis集群的同時，哨兵節點之間也會相互監聽。
哨兵模式過程
1、監聽
sentinel在監聽redis的集群過程中會周期性的對redis集群發送指令進行狀態監控
| 周期 |
消息類型 |
動作 |
方向 |
作用 |
| 10s |
info命令 |
哨兵每隔10s向監聽的redis集群所有節點發送info命令 |
sentinel --> master sentinel --> slave |
1、通過info指令定期更新當前節點最新的節點信息 2、發現新加入的slave節點，確認其主從關系 |
| 2s |
sentinel:hello訂閱 |
master節點上會發布一個由哨兵訂閱的頻道，哨兵每隔2s發送自己的信息以及主節點判斷到頻道上 |
sentinel --> master |
1、所有的sentinel都會訂閱該頻道，sentinel通過該頻道相互發現，同時建立連接與監聽 2、sentinel之間會交換對主節點的狀態，為后續領導選舉與客觀下線做准備 |
| 1s |
PING - PONG |
每1s會對每個master、slave、sentinel發送心跳包 |
sentinel --> master sentinel --> slave sentinel --> sentinel |
1、實現了對每個節點的監控，是sentinel對節點判斷是否下線的依據 |
2、主觀下線與客觀下線
sentinel集群在監聽redis集群的過程中，每個哨兵會對master發送心跳PING來確認master的存活，如果master在“一定時間范圍”內不回應PONG，或者回應了一個錯誤的消息，該sentinel會認為當前集群的master已經無法使用（主觀下線），並同時向sentinel集群中的其他節點發送sentinel ismaster-down-by-addr命令詢問其他節點對主機的狀態判斷，當超過一定數量的sentinel確認master已經無法使用，這時候master下線的判定就認為是客觀的。
注：客觀下線后故障轉移決定需要由sentinel中的leader進行裁決，sentinel在發送is-master-down-by-addr的同時使用Raft實現leader選舉
3、領導者選舉
1）每個在線的Sentinel節點都有資格成為領導者，當它確認主節點主觀下線時候，會向其他Sentinel節點發送sentinel is-master-down-by-addr命令， 要求將自己設置為領導者
2）收到命令的Sentinel節點，如果沒有同意過其他Sentinel節點的sentinel is-master-down-by-addr命令，將同意該請求，否則拒絕
3）如果該Sentinel節點發現自己的票數已經大於等於max(quorum,num(sentinels)/2+1)，那么它將成為領導者
4）如果此過程沒有選舉出領導者，將進入下一次選舉
4、故障轉移
故障轉移就是當master宕機，sentinel集群會在redis集群中，自動選擇一個合適的slave節點來升級為master節點的操作，不需要人工故障轉移。
1、篩選slave成為master
（1）過濾掉無法使用的slave（主觀下線，斷線）未回復Sentinel節點Pong相應的節點；
（2）選擇slave-priority最大的從節點（可能存在多個相同大小），如果只存在一個，則完成選擇，否則繼續；
slave-priority值在redis啟動文件中配置，用於決定故障轉移優先級，以及數據備份時的備份順序；
（3）選擇復制偏移量最大的從節點（復制最完整的）如果存在，則完成選擇，否則繼續；
redis集群中slave從master同步時，每台slave進與redis同步並非完全同步，不同slave同步master的進度可能不一致，在info relication中存在一項參數 master_repl_offset(復制偏移量)來表記錄主從同步的程度，每完成一次同步此值會進行累加，從多個slave中選擇偏移量最大的slave則能選出復制maste最完整的主機；
作用：通過對比主從節點的復制偏移量，可以判斷主從節點數據是否一致。可以通過主節點的統計信息，計算出master_repl_offset-slave_offset字節量，判斷主從節點復制相差的數據量，根據這個差值判定當前復制的健康度。如果主從之間復制偏移量相差較大，則可能是網絡延遲或命令阻塞等原因引起
（4）選擇runid(服務器運行的唯一ID)最小的從節點；
2、對新master發送 slaveof no one 指令，停止其主從復制
3、修改程序段連接到新的master
4、向集群中其他slave發送指令修改為新master的從機
5、原master重啟后修改為新master的slave
缺點：
1、如果是從節點下線了，sentinel是不會對其進行故障轉移的，連接從節點的客戶端也無法獲取到新的可用從節點
2、較難支持在線擴容，在集群容量達到上限時在線擴容會變得很復雜。
3、集群中只有一個主節點，當寫操作並發量特別大的時候，並無法緩解寫操作的壓力
Ⅲ-集群（cluster）3.0之后
為了解決Redis高可用模式下集群動態擴容困難、寫操作並發瓶頸問題，在3.0之后redis推出了Redis-Cluster集群模式。
redis-cluster采用無中心結構，每個節點保存各自的數據和整個集群的狀態，每個節點都和其他所有節點連接，客戶端連接任意主節點可以對整個集群中數據進行讀寫，所有的slave節點僅用於數據備份與故障轉移。
raft集群至少需要奇數個節點，所以至少需要3台redis作為集群中的master節點，而為了實現高可用（避免掛一台導賬集群無法使用）每個master至少需要一個slave來進行主從復制，所以一個redis-Cluster集群至少需要六台機器。
分布式存儲
redis-Cluster集群采用分布式存儲的機制，每個master以及其slave只存儲自己節點下的數據，客戶端與任意master節點進行讀寫操作，會通過cluster的集群算法路由到對應的機器上【一致性哈希算法】。
一致性哈希算法簡單的來說就是，redis-cluster把所有的redis節點映射到[0-16383]slot上（不一定是平均分配，圖示中物理機的哈希值為5461、10922、16383），每一次讀寫操作集群會計算key的哈希值，然后根據哈希值選擇對應機器進行讀寫。
將[0-16383]slot進行首尾相連，形成哈希環，對於每個redis節點會分配到一個值，該節點就負責自己節點值到上一節點值的所有slot值數據的存儲。
當集群要對一個key進行讀寫的時候，將key值計算出來的hash值向16384進行取模，將模值放入哈希環，並向后尋找第一個redis的slot值，然后將key值存入redis上。
通過這種方式，能夠保證集群中存在多台master同時進行寫操作，極大的降低了單節點高並發寫的壓力。
動態擴容
redis-cluster集群的一致性哈希算法支持動態擴容。動態擴容在一致性算法中涉及到兩個問題，slot桶的重新分配、數據轉移。
上圖所示是一個3節點redis-cluster集群里，redsi節點與key在哈希環上的映射關系，可以看出1、2兩個key會存儲在redis1上，3、4、5、6四個key會存儲在redis2上，而redis3只存儲了key7。當我們需要往集群中新增一台redis，如果改變了全部redis分配的slot，那么數據的轉移會涉及到整個集群， 那將是災難性的。
在一致性哈希算法下，會將新的redis節點計算出哈希值，放入哈希環中，這時，redis2中H(key)<=7866的所有key值會進行轉移，轉移到redis4中；而當我們需要在新集群中刪除掉其中一台redis2，redis2中的所有key將會根據算法遷移到redis3上進行存儲；
一致性哈希算法在保持了單調性的同時，還是數據的遷移達到了最小，這樣的算法對分布式集群來說是非常合適的，避免了大量數據遷移，減小了服務器的的壓力；
故障發現與故障轉移
Cluster集群在運行時所有的redis節點之間會通過ping/pong消息實現節點通信，消息不但傳輸節點槽信息，也能傳播節點狀態：主從狀態，節點故障等。
當集群中某一個節點出現問題時，集群會通過消息進行發現。與sentinel模式相同，節點故障在集群中也會經過主觀下線、客觀下線的過程，但是cluster集群中，並不需要sentinel來進行節點監控與故障轉移，而是由集群中的master們來處理的。