基于Twemproxy的Redis集群解決方案的設計與實現(xiàn)

王心妍,毛莉君（西安培華學院，陜西西安,710125）

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基于Twemproxy的Redis集群解決方案的設計與實現(xiàn)

王心妍,毛莉君
（西安培華學院，陜西西安,710125）

摘要：當傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫面臨大規(guī)模數(shù)據(jù)訪問時,磁盤I/O往往成為性能瓶頸,從而導致過高的響應延遲。本文基于Rdeis緩存技術,構建一個分布式緩存系統(tǒng),為應用系統(tǒng)提供高可用性,高性能、高可靠性的分布式緩存系統(tǒng)。

關鍵詞：Redis集群；Twemproxy；Redis Cluster

本文系陜西省教育廳2015年專項科研計劃項目“基于Android平臺的電商微信服務系統(tǒng)的開發(fā)”（項目編號：15JK2094）的研究成果。

0 引言

隨著移動4G的飛速發(fā)展，越來越多的人參與網(wǎng)絡應用，在服務器面臨海量請求壓力的同時，用戶對請求響應時間則提出了更高的要求，傳統(tǒng)磁盤持久化數(shù)據(jù)庫根本無法應對這樣的需求，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫則應運而生。

Redis是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的佼佼者，是基于內(nèi)存的開源的高性能Key/Value數(shù)據(jù)庫，不僅支持多種數(shù)據(jù)結構和主從復制，還支持數(shù)據(jù)的持久化，即使服務器異常重啟也不會導致內(nèi)存數(shù)據(jù)的全部丟失。

原生的Redis是單進程單線程的，在處理超大數(shù)據(jù)請求時就造成其他請求的阻塞，而且如果單個Redis實例占用的容量過大，則會影響出現(xiàn)故障時服務的恢復速度以及平常的運行維護操作。因此僅僅使用單個Redis實例是無法滿足生產(chǎn)環(huán)境中的I/O操作、穩(wěn)定性、安全性、可靠性等方面的要求，所以我們需要考慮搭建一個穩(wěn)定、可靠、高性能的Redis分布式集群來滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的需要，并滿足用戶對高一致性、可用性、分區(qū)容忍性的要求。

1 Redis集群解決方案

當單機Redis無法承受系統(tǒng)所產(chǎn)生的超量數(shù)據(jù)時，就需要依靠分布式的多機系統(tǒng)來解決。在對用戶透明的情況下，分布式系統(tǒng)為數(shù)據(jù)配置多個副本，當其中一臺或多臺機器宕機，卻不會丟失數(shù)據(jù)或者影響用戶的訪問，其可靠性安全性遠遠高于單機，當然對于高并發(fā)請求的處理也完勝單機系統(tǒng)。

目前各大互聯(lián)網(wǎng)公司為解決Redis單機承載能力不足的問題，自主研發(fā)并實現(xiàn)了自己的Redis分布式集群化方案。在這些非官方集群解決方案中，物理上把數(shù)據(jù)“分片”（sharding）存儲在多個Redis實例中，一般情況下，每一“片”就是一個Redis實例。目前Redis分布式集群方案主要有三種實現(xiàn)機制：客戶端分片、代理分片和Redis Cluster。

1.1 客戶端分片

客戶端分片（Pre-sharding）方案就是將分片工作放在業(yè)務的程序端，程序代碼根據(jù)預先設置的路由規(guī)則，直接對多個Redis實例進行分布式訪問。該方案集中在客戶端，在客戶端預先對 key 進行 hash 取模，然后選擇后端的 Redis實例，不依賴于第三方分布式中間件，要求開發(fā)者完全做自己的定制，實現(xiàn)方法和代碼都自己掌控，可以隨時調(diào)整，但是一旦遇到后端Redis分片變化時，則需要通知所有的客戶端來更新版本或修改配置，導致系統(tǒng)不容易控制。

因為少了一個中間分發(fā)環(huán)節(jié)，這種靜態(tài)分片技術在性能上比代理式優(yōu)秀，但是其每一個Redis實例的增減，都得程序員手工調(diào)整分片程序來實現(xiàn)，這就造成了其對研發(fā)人員超強的依賴性，需要有較強的程序開發(fā)能力做后盾。一旦公司的主力程序員離職，就可能會使新的負責人重新來定制，而且系統(tǒng)的升級相對也比較麻煩。所以這種方式下，系統(tǒng)的可運維性較差。出現(xiàn)故障，定位和解決都得研發(fā)和運維配合著解決，故障時間變長。基于此分片機制的開源產(chǎn)品，現(xiàn)在仍不多見。

1.2 代理分片

代理分片方案（Proxy）就是在Redis集群上添加一個代理層，將分片工作交給專門的代理程序來做。代理程序接收到來自業(yè)務程序的數(shù)據(jù)請求，根據(jù)路由規(guī)則，將這些請求分發(fā)給正確的Redis實例并返回給業(yè)務程序。在這種機制下，一般會選用第三方代理程序（而不是自己研發(fā)），因為后端有多個Redis實例，所以這類程序又稱為分布式中間件。這樣的好處是，業(yè)務程序不用關心后端Redis實例，運維起來也方便。雖然會因此帶來些性能損耗，但對于Redis這種內(nèi)存讀寫型應用，相對而言是能容忍的。

該方案應用最具代表性的就是Twitter的開源產(chǎn)品Twemproxy，其性能相當不錯，是目前應用范圍最廣、穩(wěn)定性最高、最久經(jīng)考驗的分布式中間件。Twemproxy作為代理，可接受來自多個客戶端程序的訪問，按照路由規(guī)則，轉發(fā)給后臺的各個Redis服務器，再原路返回，有效地解決了單個Redis實例承載能力的問題。當然，Twemproxy本身也是單點，需要用Keepalived做高可用方案。

該方案通過代理的方式減少了Redis服務器的連接數(shù)，支持一致性Hash，通過配置的方式封禁失效的節(jié)點，運行多個 Proxy時，客戶端可以連接到首個可用的Proxy，支持請求的流式和批處理，可以降低請求的資源消耗，但是Twemproxy不支持自動的故障切換。

1.3 Redis Cluster

Redis Cluster和代理模式最大的不同之處在于沒有中心節(jié)點。Redis Cluster將所有Key映射到16384個Slot中，集群中每個Redis實例負責一部分，業(yè)務程序通過集成的Redis Cluster客戶端進行操作。客戶端可以向任一實例發(fā)出請求，如果所需數(shù)據(jù)不在該實例中，則該實例引導客戶端自動去對應實例讀寫數(shù)據(jù)，因此Redis進程既負責讀寫數(shù)據(jù)又負責集群交互，致使其嚴格依賴客戶端driver的成熟度。而且Redis Cluster的節(jié)點名稱、IP、端口、狀態(tài)、角色等的管理，都是通過節(jié)點之間兩兩通訊，定期交換并更新，集群建立以及運行中新增結點時，都要通過手動執(zhí)行meet命令或redis-trib.rb腳本添加到集群中，缺少結點的自動發(fā)現(xiàn)和自動Resharding功能。雖說它比代理分片少了中間件，理論上會更高效，但其是否完全適合現(xiàn)實的生產(chǎn)環(huán)境，還需要實踐慢慢驗證。因此，本文主提出基于twemproxy搭建高可用的Redis集群解決方案。

2 基于twemproxy的Redis集群解決方案

Twemproxy是由Twitter開發(fā)的開源Redis集群解決方案，其性能不錯，也很適合現(xiàn)實的生產(chǎn)應用，但它不支持自動的故障切換。本方案對原生的Twemproxy方案進行了改進，其結構圖如下：

客戶端通過虛擬IP訪問Redis，只需要用keepalived的虛擬IP地址和端口而不需要修改RedisClient代碼。keepalived提供VIP漂移，避免Twemproxy的單點故障 ，減少與Redis的直接連接數(shù)，支持失敗節(jié)點自動刪除。keeypalived集群保證一個掛機,其他的可以繼續(xù)服務，其中每個keepalive又連接多個Twemproxy(默認是連接主Twemproxy, 主代理掛機了,會去連接從Twemproxy)。Twemproxy的每個節(jié)點都連接Redis的主服務，Redis的主從服務器,一般分開機器存儲,保證機器故障而數(shù)據(jù)不丟失。Sentinel起到一個監(jiān)控的作用，一旦發(fā)現(xiàn)主Redis掛機了,就會自動切換將從Redis變?yōu)橹鱎edis，以實現(xiàn)Redis的高可用性。Twemproxy_agent的作用是：如果sentinel發(fā)現(xiàn)變化，agent會去修改Twemproxy 的配置文件,然后重啟Temproxy服務。

該方案中平行部署多個代理層，客戶端可以自動選擇可用的一個，Redis集群對客戶端透明，每一個Redis劃分主、從服務器，并交叉分開存儲以確保數(shù)據(jù)的安全，支持狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)了高吞吐量。

參考文獻

[1]黃健宏. Redis設計與實現(xiàn)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2014：1-300

[2]邱祝文.基于Redis的分布式緩存系統(tǒng)架構研究［J］．網(wǎng)絡安全技術與應用，2014.10

Design and implementation of Redis cluster solution based on Twemproxy

Wang Xinyan,Mao Lijun
(Xi'an Peihua University,Xi'an,Shaanxi,710125)

Abstract：When the traditional database facing massive data access,disk I/O often become a performance bottleneck,resulting in high response delay.In this paper,Rdeis cache technology based on building a distributed cache system, provide high availability for application system,distributed caching system with high performance and high reliability.

Keywords：Redis Twemproxy;Redis Cluster cluster