分布式数据库-集群

Redis集群是Redis提供的分布式数据库方案, 集群通过分片(sharding)来进行数据共享, 并提供复制和故障转移功能。

节点

一个集群通常由多个节点组成, 在刚开始的时候, 每个节点都是相互独立的, 他们都处于一个只包含自己的集群当中, 要组建一个真正可工作的集群, 我们必须各个独立的节点链接起来, 构成一个包含多个节点的集群。

链接各个节点的工作可以使用CLUSTER MEET命令来完成, 该命令格式如下:

CLUSTER MEET <ip> <port>

向一个节点node发送CLUSTER MEET命令, 可以让node节点与ip和port所指定的节点进行握手, 当握手成功时, node节点就会将ip和port所指定的节点添加到node节点当前所在的集群中。

节点启动

一个节点就是一个运行在集群模式下的redis服务器, redis服务器在启动时会根据cluster-enabled配置选项是否为yes来决定是否开启服务器的集群模式.

节点(运行在集群模式下的Redis服务器)会继续使用所有在单机模式中使用的服务器组件, 比如说:

• 节点会继续使用文件时间处理器来处理命令和返回命令请求回复

• 节点会继续使用时间事件处理器来执行serverCron函数, 而serverCron函数负责执行在集群模式下需要执行的常规操作。例如向集群中的其他节点发送Gossip消息, 检查节点是否断线, 或者检查是否需要对下线节点进行自动故障转移等.

• 节点会继续使用数据库来保存键值对数据, 键值对依然会是各种不同类型的对象

• 节点会继续使用RDB数据库持久化模块和AOF持久化模块来执行持久化工作

• 节点会继续使用发布和订阅模块来执行PUBLISH.SUBSCRIBE等命令

• 节点会继续使用复制模块来进行节点的复制工作

• 节点会继续使用Lua脚本环境来执行客户端输入的lua脚本

除此之外, 节点会继续使用redisServer结构来保存服务器的状态, 使用redisClient结构来保存客户端的状态。

集群数据结构

clusterNode结构保存了一个节点的当前状态.

每个节点都会使用一个clusterNode结构来记录自己的状态, 并为集群中的所有其他节点都创建一个相应的clusterNode结构, 以此来记录其他节点的状态：

struct clusterNode {
 // 创建节点的时间
 mstime_t ctime;
​
 // 节点的名字, 由40个十六进制字符组成
 char name[REDIS_CLUSTER_NAMELEN];
​
 // 节点标识
 // 使用各种不同的标识值记录节点的角色(比如主节点或者从节点)
 // 以及节点目前所处的状态
 int flags;
​
 // 节点当前的配置纪元, 用于实现故障转移
 uint64_t configigEpoch;
​
 // 节点的IP地址
 char ip[REDIS_IP_STR_LEN];
​
 // 节点的端口号
 int port;
​
 // 保存连接节点所需的有关信息
 clusterLink *link;
}

clusterNode结构的link属性是一个clusterLink结构, 该结构保存了连接节点所需的有关信息, 比如套接字描述符,输入缓冲区和输出缓冲区

type def struct clusterLink {
 // 连接的创建时间
 mstime_t ctime;
​
 // TCP 套接字描述符
 int fd;
​
 // 输出缓冲区, 保存着等待发送给其他节点的消息(message)
 sds sndbuf;
​
 // 输出缓冲区, 保存着从其他节点接收到的消息
 sds rcvbuf;
​
 // 与这个连接相关的节点, 如果没有的话就为NULL
 struct clusterNode *node;
} clusterLink;

最后, 每个节点都保存着一个clusterState结构, 这个结构记录了在当前节点的视角下, 集群目前所处的状态. 例如:集群是在线还是下线, 集群包含多少个节点, 集群当前的配置纪元:

typedef struct clusterState {
 // 指向当前节点的指针
 clusterNode *myself;
​
 // 集群当前的配置纪元, 用于实现故障转移
 uint64_t currentEpoch;
​
 // 集群当前状态: 在线/下线
 int state;
​
 // 集群中至少处理着一个槽的节点的数量
 int size;
​
 // 几圈节点名单(包括myseql节点)
 // 字典的键为节点的名字, 字典的值为节点对应的clusterNode结构
 dict *nodes;
} clusterState

CLUSTER MEET 命令的实现

通过节点A发送CLUSTER MEET命令, 客户端可以让接收命令的节点A将另一个节点添加到节点A当前所在的集群里面:

CLUSTER MEET <ip> <port>

收到命令的节点A将与节点B进行握手, 以此来确认彼此的存在, 并为将来的进一步通信打好基础:

1) 节点A会为节点B创建一个clusterNode结构, 并将该结构添加到自己的clusterState.nodes字典里面.

2) 之后, 节点A将根据CLUSTER MEET命令给定的IP地址和端口号, 向节点B发送一条MEET消息

3) 如果一切顺利, 节点B将接收到节点A发送的MEET消息, 节点会为节点A创建一个clusterNode结构, 并将该结构添加到自己的clusterState.nodes字典里面

4) 之后, 节点B将向节点A返回一条pong消息

5) 如果一切顺利, 节点A将接受到节点B返回的pong消息, 通过这条PONG消息节点A可以知道节点B已经成功地接受到了自己发送的MEET消息.

6) 之后, 节点A将向节点B返回一条PING消息

7) 如果一切顺利, 节点B将接受到节点A返回的PING消息, 通过这条PING消息节点B可以知道节点A已经成功地接受到了自己返回的PONG消息，握手完成。

节点A会将节点B的信息通过Gossip协议传播给集群中的其他节点, 让其他节点也与节点B握手, 最终, 经过一段时间之后, 节点B会被集群中的所有节点认识.

槽指派

Redis集群通过分片的方式来保存数据库中的键值对: 集群的整个数据库被分为16384个槽(slot), 数据库中的每个键都属于这16384个槽的其中一个, 集群中的每个节点可以处理0个或最多16384个槽。

当数据库中的16384个槽都有节点在处理时, 集群处于上线状态(ok);相反地, 如果数据库中有任何一个槽没有得到处理, 那么集群处于下线状态(fail);

通过向节点发送CLUSTER ADDSLOTS命令, 我们可以将一个或多个槽指派给节点负责:

CLUSTER ADDSLOTS <slot>[slot...]

记录节点的槽指派信息

clusterNode结构的slots属性和numslot属性记录了及诶单负责处理哪些槽:

struct clusterNode {
 unsigned char slots[16384/8];
​
 int numslots;
}

slots属性时一个二进制数组, 这个数组的长度为16384/8 = 2048个字节, 供包含16384个二进制位. Redis 以0为起始索引, 16383位终止索引, 对slots数组中的16384个二进制位进行编号, 并根据索引i上的二进制位的值来判断界定啊是否负责处理槽i:

• 如果slots数组在索引i上的二进制的值为1, 那么表示节点负责处理槽i

• 如果slots数组在索引i上的二进制位的值为0, 那么表示节点不负责处理槽i

因为取出和设置slots数组中的任意一个二进制位的值的复杂度为O(1), 所以对于一个给定一个给定节点的slots数组来说, 程序检查节点是否负责处理某个槽, 由或者将某个槽指派给节点负责, 这两个动作的复杂度都是O(1)

至于numslots属性则记录节点负责处理的槽的数量, 也即是slots数组中值为1的二进制位的数量。

传播节点的槽指派信息

一个节点除了会将自己负责处理的槽记录在clusterNode结构的slots属性和numslots属性之外, 它还会将自己的slots数组通过消息发送给集群中的其他节点, 以此来告知其他节点自己目前负责处理哪些槽.

当节点A通过消息从节点B那里接受到节点B的slots数组时, 节点A会在自己的clusterState.nodes字典中查找节点B对应的clusterNode结构， 并对结构中的slots数组进行保存或者更新。

因为集群中的每个节点都会将自己的slots数组通过消息发送给集群中的其他节点, 并且每个接收到slots数组的节点都会将数组保存早相应节点的clusterNode结构里面, 因此, 集群中的每个节点都会知道数据库中的16384个槽分别被指派给了集群中的哪些节点。

记录集群所有槽的指派信息

clusterState结构中的slots数组记录了集群中所有16384个槽的指派信息:

typedef struct clusterState {
 clusterNode *slots[16384]
} clusterState

slots数组包含16384各项, 每个数组都是一个指向clusterNode结构的指针:

• 如果slots[i]指针指向NULL, 那么表示槽i尚未指派给任何节点

• 如果slots[i]指针指向一个clusterNode结构, 那么表示槽i已经指派给我clusterNode结构所代表节点.

如果只将槽指派信息保存在各个节点的clusterNode.slots数组里, 会出现一些无法高效地解决的问题, 而clusterState.slots数组的存在解决了这些问题:

• 如果节点只使用clusterNode.slots数组来记录槽的指派信息, 那么为了知道槽i是否已经被指派, 或者槽i被指派给了哪个及诶单, 程序需要遍历clusterState.nodes字典中的所有clusterNode结构, 检查这些结果的slots数组, 直到知道哦啊哦负责处理槽i的节点为止。这个过程的复杂度为O(N), 其中N为clusterState.nodes字典保存的clusterNode结构的数量。

• 而通过将所有的槽的指派信息保存在clusterState.slots数组里面, 程序要检查i是否已经被指派, 又或者取得负责处理槽i的节点, 只需要访问clusterState.slots[i]的值即可, 这个操作的复杂度仅为O(1)

虽然clusterState.slots数组记录了集群中所有槽的指派信息, 但是用clusterNode结构的slots数组来记录单个节点的槽指派信息仍然是有必要的,

• 因为当程序需要将某个节点的槽指派信息通过消息发送给其他节点时, 程序只需要将相应节点的clusterNode.slots数组整个发出去就可以了

• 另一方面, 如果Redis不使用clusterNode.slots数组,而单独使用clusterState.slots数组的话, 那么每次要将节点A的槽指派信息传播给其他节点时, 程序必须先遍历整个clusterState.slots数组, 记录节点A处理哪些槽, 然后才能发送节点A的槽指派信息, 这比直接发送clusternode.slots数组麻烦和低效的多.

clusterState.slots数组记录了集群中所有的槽的指派信息, 而clusterNode.slots数组只记录了clusterNode结构所代表的节点的槽指派信息, 这是连个slots数组的关键区别所在.

CLUSTER ADDSLOTS 命令的实现

CLUSTER ADDSLOTS 命令接收一个或多个槽作为参数, 并将所有输入的槽指派给接收该命令的节点负责:

CLUSTER ADDSLOTS <slot> [slot ...]

在集群中执行命令

在对数据库中的16384个槽都进行了指派之后, 集群就会进入上线状态, 这时客户端就可以像集群中的几点发送数据命令了.

当客户端节点发送与数据库键有关的命令时, 接收命令的节点会结算出命令要处理的数据库属于哪个槽, 并检查这个槽是否指派给我自己。

• 如果键所在的槽正好就指派给了当前节点, 那么节点直接执行这个命令

• 如果键所在的槽并没有指派给当前节点, 那么节点会想客户端返回一个MOVED错误, 指向客户端转向至正确的节点, 并在此发送之前想要执行的命令。

计算键属于哪个槽

节点使用以下算法来计算给定键key属于哪个槽:

def slot_number(key): return CRC16(key)&16383

其中CRC16(key)语句用于计算键key的CRC-16校验和, 而&16383语句则用于计算出一个介于0-16383之间的整数作为键key的槽号。

使用CLUSTER KEYSLOT <key>命令可以查看一个给定键属于哪个槽:

判断槽是否由当前节点负责处理

当节点计算出所属的槽i之后, 节点就会检查自己在clusterState.slots数组中的项i, 判断键所在的槽是否由自己负责:

• 如果clusterState.slots[i]等于clusterState.myself, 那么说明槽i由当前节点负责, 节点可以执行客户端发送的命令

• 如果clusterState.slots[i]不等于clusterState.myself, 那么说明槽i并非由当前节点负责, 及诶单会根据clusterState.slots[i]指向的clusterNode结构所记录的节点IP和端口号, 向客户端返回MOVED错误, 指引客户端转向至正在处理槽I的节点。

MOVED 错误

当节点发现键所在的槽并非由自己负责处理的时候, 节点就会想客户端返回一个MOVED错误, 指引客户端转向正在负责槽的节点.

MOVED错误的格式为:

MOVED <slot> <ip>:<port>

其中slot为键所在的槽, 而ip和port则是负责处理槽slot的节点的IP地址和端口号.

一个集群客户端通常会与集群中的多个节点创建套接字连接, 而所谓的节点转向实际上就是换一个套接字发送命令。

被隐藏的MOVED错误

集群模式的redis-cli客户端在接收到MOVED错误时, 并不会打印出MOVED错误, 而是根据MOVED错误自动进行节点转向, 并打印出转向信息。

redis-cli -c -p 7000

当我们使用单机模式的redis-cli客户端, MOVED日志将会被打印出来:

redis-cli -p 7000 # 单机模式

节点数据库的实现

集群节点保存键值对以及键值对过期时间的方式, 节点和单机服务器在数据库方面的一个区别是, 节点单只能使用0号数据库, 而单机Redis服务器没有这一限制.

另外, 除了将键值对保存在数据库里面之外, 节点还会用clusterState结构中的slots_to_keys跳跃表来保存槽与键之间的关系:

typedef struct clsuterState { zskiplist *slots_to_keys; } clusterState;

slots_to_keys跳跃表每个节点的分值都是一个槽号, 而每个节点成员都是一个数据库键.

• 每当节点往数据库中添加一个新的键值对时, 节点就会将这个键以及键的槽号关联到slots_to_keys跳跃表.

• 当节点删除数据库中的某个键值对时, 节点就会在slots_to_keys跳跃表解除被删除键与槽号的关联.

通过在slots_to_keys跳跃表中国纪录哥哥数据库键所属的槽, 节点可以很方便地对属于某个或某些槽的所有数据库键进行批量操作. 例如CLUSTER GETKEYSINSLOT <slot> <count>命令可以返回最多count个属于槽slot的数据库键.而这个命令就是通过遍历slots_to_keys跳跃表来实现的。

重新分片

Redis集群的重新分片操作可以将任意数量已经指派给某个节点的槽改为指派给另一个节点, 并且相关槽所属的键值对也会从源节点被移动到目标节点。

重新分片操作可以在线进行, 重新分片的过程中, 集群中不需要下线, 并且源节点和目标节点都可以继续处理命令请求。

重新分片的实现原理

Redis集群的重新分片操作时由Redis的集群管理软件redis-trib负责执行的, Redis提供了进行重新分片所需的所有命令, 而redis-trib则通过向源节点和目标节点命令来进行重新分片操作。

redis-trib对集群的单个槽slot进行重新分片的步骤如下:

• redis-trib 对目标节点发送CLUSTER SETSLOT <slot> IMPORTING <source_id>命令, 让目标节点准备好从源节点导入属于槽slot的键值对。

• redis-trib队员节点发送CLUSTER SETSLOT <slot> MIGRATING <target_id>命令, 让源节点准备好将属于slot的键值对迁移到目标节点.

• redis-trib向源节点发送CLUSTER GETKEYSINSLOT <slot> <count>命令, 获得最多count个属于槽slot的键值对的键名(key name)

• 对于步骤3获得的每个键名, redis-trib都像源节点发送一个MIGRATE <target_ip> <target_port> <key_name> 0 <timeout>命令, 将被选中的键院子地从源节点迁移至目标节点。

• 重复执行步骤3和步骤4, 直到源节点保存的所有属于槽slot的键值对都被迁移至目标节点为止。

• redis-trib 向集群中的任意节点发送CLUSTER SETSLOT <slot> NODE <target_id>命令, 将槽slot指派给目标节点, 这一指派信息会通过消息发送至整个集群, 最终集群中的所有节点都会知道槽slot已经指派给了目标节点。

如果重新发恩片设计多个槽, 那么redis-trib将对每个给定的槽分别执行上面给出的步骤。

ASK错误

在进行重新分片期间, 源节点向目标节点迁移一个槽的过程中, 可能会出现一种情况: 属于被迁移槽的一部分槽值对保存在源节点里面, 而另一个部分键值对则保存在目标节点里面。

当客户端向源节点发送一个与数据库有关的命令, 并且命令要处理的数据库恰好属于正在被迁移的槽时:

• 源节点会现在自己的数据库里面查找指定的键, 如果找到的话, 就直接执行客户端发送的命令。

• 相反地, 如果源节点没能在自己的数据库里面找到指定的键, 那么这个键有可能已经被迁移到了目标节点, 源节点将向客户端返回一个ASK错误, 指令客户端转向正在导入槽的目标节点, 并在此发送之前想要执行的命令。

被隐藏的ASK错误

和接到MOVED错误时的情况类似, 集群模式的redis-cli在接到ASK错误时也不会打印错误, 而是自动根据错误提供的IP地址和端口进行转向动作. 如果想看到节点发送的ASK错误的话, 可以使用单机模式的redis-cli客户端:

CLUSTER SETSLOT IMPORTING 命令的实现

clusterState结构的importing_slots_from数组记录了当前节点正在从其他节点导入的槽:

typedef struct clusterState { clusterNode *importing_slots_from[16384] }

如果importing_slots_from[i]的值不为NULL， 而是指向一个clusterNode结构, 那么表示当前节点正在从clusterNode所代表的节点导入槽i

在对集群进行重新分片的时候, 向目标节点发送命令:

CLUSTER SETSLOT <i> IMPORTING <source_id>

可以将目标节点clusterState.importing_slots_from[i]的值设置为source_id所代表的节点的clusterNode结构.

CLUSTER SETSLOT MIGRATING 命令的实现

clusterState结构的migrating_slots_to数据记录了当前节点正在迁移至其他节点的槽:

typedef struct clusterState { clusterNode *migrating_slots_to[16384]; }

如果migrating_slots_to[i]的值不为NULL, 而是指向一个clusterNode结构, 那么表示当前节点正在将槽i迁移至clusterNode所代表的节点。

在对集群进行重新分片的时候, 向源节点发送命令;

CLUSTER SETSLOT <i> MIGRATING <target_id>

可以将源节点clusterState.migrating_slots_to[i]的值设置为target_id所代表节点的clusterNode结构。

ASK错误

如果节点收到一个关于键key的命令请求, 并且键key所属的槽i正好指派给了这个节点, 那么节点就会尝试在自己的数据库里查找键key, 如果找到的话, 节点就直接执行客户端命令。与此相反, 如果节点没有在自己的数据库里找到键key, 那么节点会检查自己的clusterState.migrating_slots_to[i]查看key所属的槽i是否正在进行迁移, 如果槽i的确在进行迁移的话, 那么节点会向客户端发送一个ASK错误, 引导客户端到正在导入槽i的几点去检查键KEY.

ASKING

ASKING命令唯一要做的就是打开发送该命令的客户端REDIS_ASKING标识。

在一般情况下, 如果客户端向节点发送一个关于槽i的命令, 但是i又没有指派给这个节点的话, 那么节点将向客户端返回一个MOVED错误; 但是, 如果节点的clusterState.importing_slots_from[i]显示节点正在导入槽i, 并且发送命令的客户端带有REDIS_ASKING标识, 那么节点将破例执行这个关于槽i的命令一次.

当客户端接收到ASK错误并转向正在导入槽的节点时, 客户端会先向节点发送一个ASKING命令, 然后才重新发送想要执行的命令, 这是因为如果客户端不发送ASKING命令, 而直接发送想要执行的命令的话, 那么客户端发送的命令将被节点拒绝执行，并返回一个MOVED错误。

NOTE: 客户端的REDIS_ASKING标识是一个一次性标识, 当节点执行了一个带有REDIS_ASKING标识的客户端发送的命令之后, 客户端REDIS_ASKING标识就会被移除。

ASK错误和MOVED错误的区别

复制与故障转移

Redis集群中的节点分为主节点和从节点，其中主节点用于处理槽, 而从节点用于复制某个主节点。并在被赋值的节点下线时, 代替下线主节点继续处理命令请求。

设置从节点

向一个节点发送命令：

CLUSTER REPLICATE <node_id>

可以让接收命令的节点成为node_id所指定节点的从节点, 并开始对主节点进行复制:

• 接收到该命令的几点首先会在自己的clusterState.nodes字典中找到node_id所对应节点的clusterNode结构, 并将自己的clusterState.mysql.slaveof指向这个结构, 以此来记录这个节点正在复制的主节点：

struct clusterNode { // 如果这是一个从节点, 那么指向主节点 struct clusterNode *slaveof; }

• 然后几点修改自己在clusterState.mysql.flags中的属性, 关闭原本的REDIS_NODE_MASTER标识, 打开REDIS_NODE_SLAVE标识, 表示这个节点已经由原来的主节点编程了从节点

• 最后, 节点会调用复制代码, 并根据clusterState.mysql.slaveof所执行的clusterNode结构所保存的IP地址和端口号, 对主节点进行复制。因为节点的复制功能和单机Redis服务器的复制功能使用了相同的代码, 所以让从节点复制主节点相当于从节点发送命令SLAVEOF <master_ip> <master_port>

NOTE: 一个节点成为从节点, 并开始复制某个主节点这一信息会通过消息发送给集群中的其他节点, 最终集群中的所有节点都会知道某个从节点正在复制某个主节点。

故障检测

集群中的每个节点都会定期地向集群中的其他节点发送PING消息, 一次来检测对象是否在线, 如果接受PING消息的节点没有在规定的时间内, 向发送PING消息的几点发挥PONG消息, 那么发送PING消息的几点机会将接受PING消息的几点标记为疑似下线(PFAIL).

NOTE: 集群中的每个节点会通过相互发送消息的方式来交换集群中的各个节点的状态信息， 例如: 某个节点时处于在线状态, 疑似下线状态(PFAIL)还是已下线状态(FAIL).

当一个主节点A通过消息得知主节点B认为主节点C进入了疑似下线状态, 主节点A会在自己的clusterState.nodes字典中找到主节点C所对应的clusterNode结构， 并将主节点B的下线报告添加到clusterNode结构的fail_reports链表里面:

struct clusterNode { 
    // 一个链表, 记录了所有其他节点对该节点的下线报告 
    list *fail_reports; 
}

每个下线报告由一个clusterNodeFailReport结构表示:

struct clusterNodeFailReport { 
    // 报告目标节点已经下线的节点 
    struct clusterNode *node; 
    // 最后一次从node节点收到下线报告的时间 
    // 程序使用这个时间戳来检查下线报告是否过期 
    // (与当前时间相差太久的下线报告会被删除) 
    mstime_t time; 
} typedef clusterNodeFailReport;

如果在一个集群里面, 半数以上负责处理槽的节点都将某个节点x报告为疑似下线, 那么这个主节点x将被标记为已下线(FAIL), 将主节点x标记为已下线的节点会向集群广播一条关于主节点x的FAIL消息, 所有收到这条FAIL消息的几点都会立即将主节点x标记为已下线。

故障转移

当一个从节点发现自己正在复制的主节点进入了已下线状态时, 从节点将开始对下线主节点进行故障转移, 以下是故障转移的步骤：

• 复制下线主节点的所有从节点里面, 会有一个从节点被选中。

• 被选中的从节点会执行SLAVEOF no one命令, 成为新的主节点

• 新的主节点会撤销所有对已下线主节点的槽指派, 并将这些槽全部指派给自己

• 新的主节点向集群中广播一条PONG消息， 这条PONG消息可以让集群中的其他节点立即知道这个节点已经由从节点变成了主节点, 并且这个主节点已经接管了原本由已下线节点负责处理的槽.

• 新的主节点开始接受和自己负责处理的槽相关的命令请求, 故障转移完成。

选举新的主节点

• 集群的配置纪元是一个自增计数器, 它的初始值为0

• 当集群里的某个节点开始一次故障转移操作时, 集群配置纪元的值会被+1

• 对于每个配置纪元, 集群里每个负责处理槽的主节点都有一次投票机会, 而第一个向主节点要求投票的从节点将获得主节点的投票.

• 当从节点发现自己正在复制的诸暨店进入已下线状态时, 从节点会向集群广播一条CLUSTERMSG_TYPE_FAILOVER_AUTH_REQUEST消息, 要求所有收到这条消息, 并且具有投票权的主节点向这个从节点投票.

• 如果一个节点具有投票权, 并且这个主节点尚未投票给其他从节点, 那么主节点将向要求投票的从节点返回一条CLUSTERMSG_TYPE_FAILOVER_AUTH_ACK消息, 表示这个主节点支持从节点成为新的主节点.

• 每个参与选举的从节点都会接受CLUSTERMSG_TYPE_FAILOVER_AUTH_ACK消息， 并根据自己受到了多少条这种消息来统计自己获得了多少主节点的支持

• 如果集群里有N个具有投票权的主节点, 那么当一个主节点手机到大于等于N/2 + 1张支持票时, 这个从节点就汇当选为新的主节点。

• 因为每一个配置纪元里面, 每个具有投票权的主节点只能投一次票, 所以如果有N个主节点进行投票, 那么具有大于等于N/2 + 1张支持票的从节点只会有一个, 这确保了新的主节点只会有一个。

• 如果在一个配置纪元里面没有从节点能够收集到足够多的支持票, 那么集群进入一个新的配置纪元， 并在此进行选举, 知道选出新的朱及诶单为止.

消息

集群中的各个节点通过发送和接收消息来进行通信， 我们称发送消息的节点为发送者, 接收消息的节点为接收者, 几点发送的消息主要有以下五种：

• MEET消息：当发送者接收到客户端发送的CLUSTER MEET命令时, 发送者会向接收者发送MEET消息, 请求接收者加入到发送者当前所处的集群里面

• PING消息: 集群里的每个节点默认每隔一秒就会从已知节点列表中随机选出5个节点, 然后对这五个几点钟最长时间没有发送过PING消息的节点发送PING消息, 以此来检测被选中的几点是否在线。除此之外, 如果节点A最后一次收到节点B发送的PONG消息的时间, 距离当前时间已经超过了节点A的cluster-node-timeout选项设置时长的一半, 那么节点A也会向节点B发送PING消息, 这可以防止节点A因为长时间没有随机选中节点B作为PING消息的发送对象而导致对节点B的信息更新滞后。

• PONG消息: 当接收者接收到发送者发来的MEET消息或者PING消息时, 为了向发送者确认这条MEET消息或者PING消息已经到达, 接收者会向发送者返回一条PONG消息。另外, 一个节点也可以通过向集群广播自己的PONG消息来让集群中的其他节点立即刷新关于这个节点的认识.

• FAIL消息: 当一个主节点A判断另一个主节点B已经进入FAIL状态时, 节点A会向集群广播一条关于节点B的FAIL消息, 所有接受到这条消息的节点都会立即将节点B标记为已下线。

• PUBLISH消息：当节点接收到一个PUBLISH命令时, 节点会执行这个命令, 并向集群广播一条PUBLISH消息, 所有接受到这条PUBLISH消息的节点都会执行相同的PUBLISH命令.

消息头

节点发送的所有消息都由一个消息头包裹, 消息头处理包含消息正文之外, 还记录了消息发送者自身的一些信息,因为这些信息也会被消息接收者用到, 所以严格来讲, 我们可以认为消息头本身也是消息的一部分.

typedef struct { 
    // 消息的长度(包括这个消息头的长度和消息正文的长度) 
    unit32_t totlen; 

    // 消息的类型 uint16_t type; 
    // 喜爱西正文包含的节点信息数量 
    // 只在发送MEET,PING,PONG这三种Gossip协议消息时使用 
    uint16_t count;
 
    // 发送者所处的配置纪元 
    uint64_t currentEpoch; 

    // 如果发送者是一个主节点, 那么这里记录的是发送者的配置纪元 
    // 如果发送者是一个从节点, 那么这里记录的是发送者正在复制的主节点的配置纪元 
    uint64_t configEpoch; 

    // 发送者的名字(ID) char sender[REDIS_CLUSTER_NAMELEN] 
    // 发送者目前的槽指派信息 unsigned char myslots[REDIS_CLUSTER_SLOTS/8] 
    // 如果发送者是一个从节点, 那么这里记录的是发送者正在复制的主节点的名字 
    // 如果发送者是一个主节点, 那么这里记录的是REDIS_NODE_NULL_NAME（一个40字节长, 值全为0的字节数组） 
    char slaveof[REDIS_CLUSTER_NAMELEN]; 

    // 发送者的端口号 uint16_t port; 
    // 发送者的标识值 uint16_t flags;
    // 发送者所处集群的状态 
    unsigned char state; 

    // 消息的正文(或者说, 内容)
    union clusterMsgData data; 
} clusterMsg;

clusterMsg.data属性指向联合cluster.h/clusterMsgData, 这个联合就是消息正文:

union clusterMsgData { 
    // MEET, PING, PONG 消息正文 
    struct { 
        // 每条MEET, PING ,PONG消息都包含两个 
        // clusterMsgDataGossip结构 
        clusterMsgDataGossip gossip[1]; 
    } ping; 

    // FAILE消息正文 
    struct { 
        clusterMsgDataFail about; 
    } fail; 

    // PUBLISH消息的正文 
    struct { 
        clusterMsgDataPublish msg;
     } 
}

MEET, PING, PONG消息的实现

Redis集群中的各个节点通过Gossip协议来交换各自关于不同节点的状态信息, 其中Gossip协议由MEET,PING,PONG三种消息实现,这三种消息的正文都由两个clusterMsgDataGossip结构组成:

union clusterMsgData { 
    // MEET, PING和PONG消息的正文 
    struct { 
        // 每条MEET,PING,PONG消息都包含两个clusterMsgDataGossip结构 
        clusterMsgDataGossip gossip[1]; 
    } ping; 
}

因为MEET, PING, PONG三种消息都使用相同的消息正文, 所以节点通过消息头的type属性来判断一条消息是MEET消息, PING消息还是PONG消息。

每次发送MEET, PING, PONG消息时, 发送者都从自己的已知节点列表中随机选出两个节点(可以是主节点或者从节点), 并将这两个被选中节点的信息分别保存到两个clusterMsgDataGossip结构里面.

clusterMsgDataGossip结构记录了被选中节点的名字, 发送者与被选中节点最后一次发送和接收PING消息和PONG消息的时间戳, 被选中的节点IP地址和端口号, 以及被选中节点的标示值:

typedef struct { 
    // 节点的名字 
    char nodename[REDIS_CLUSTER_NAMELEN]; 
    // 最后一次向该节点发送PING消息的时间戳 
    uint32_t ping_sent; 
    // 最后一次从该节点收到PONG消息的时间戳 
    uint32_t pong_received; 
    // 节点IP地址 
    uint16_t ip[16]; 
    // 节点端口号 
    uint16_t port; 
    // 节点的标示值 
    uint16_t flags; 
} clusterMsgDataGossip;

当接收者收到MEET, PING, PONG消息时, 接收者会访问消息正文中的两个clusterMsgDataGossip结构, 并根据自己是否认识clusterMsgDataGossip结构中记录的被选中节点来选择进行哪种操作:

• 如果被选中节点不存在于接收者的已知节点列表, 那么说明接收者是第一次接触到被选中节点, 接收者将根据结构中记录的IP地址和端口等信息, 与被选中节点进行握手.

• 如果被选中节点已经存在于接收者的已知节点列表, 那么说明接收者之前已经与被选中节点进行过接触, 接收者根据clusterMsgDataGossip结构记录的信息, 对被选中节点所对应的clusterNode结构进行更新.

FAIL消息的实现

当集群里的主节点A将主节点B标记为已下线(FAIL)时, 主节点A将向集群广播一条关于主节点B的FAIL消息，所有接受到这条FAIL消息的节点都会将主节点B标记为已下线。

在集群的节点数量比较大的情况下, 单纯使用Gossip协议来传播节点的已下线信息会给节点的信息更新带来一定延迟, 因为Gossip协议消息通常需要一段时间才能传播至整个集群. 而发送FAIL消息可以让集群里的所有节点立即知道某个主节点已下线, 从而尽快判断是否需要将集群标记为下线, 又或者对下线主节点进行故障转移。

FAIL消息的正文由clusterMsgDataFail结构表示, 这个结构只包含一个nodename属性, 该属性记录了已下线节点的名字:

typedef struct { 
    char nodename[REDIS_CLUSTER_NAMELEN]; 
} clusterMsgDataFail;

因为集群里的所有节点都有一个独一无二的名字, 所以FAIL消息里面只需要保存下线节点的名字, 接收到消息的节点就可以根据这个名字判断是哪个节点下线了。

PUBLISH 消息的实现

当客户端向集群中的某个节点发送命令:

PUBLISH <channel> <message>

的时候, 接收到PUBLISH命令的节点不仅会向channel频道发送消息message, 它还会向集群广播一条PUBLISH消息, 所有接受到这条PUBLISH消息的节点都会向channel频道发送message消息.

PUBLISH 消息的正文由clusterMsgDataPublish结构表示:

typedef struct { 
    uint32_t channel_len; 
    uint32_t message_len; 
    // 定义为8字节只是为了对齐其他消息结构实际的长度由保存的内容决定 
    unsigned char bulk_data[8]; 
} clusterMsgDataPublish;

PUBLISH消息的正文由clusterMsgDataPublish结构表示：

typedef struct { 
    uint32_t channel_len; 
    uint32_t message_len; 
    // 定义为8, 字节只是为了对齐其他消息结构, 实际的长度由保存的内容决定 
    unsigned char bulk_data[8]; 
} clusterMsgDataPublish;

clusterMsgDataPublish结构的bulk_data属性是一个字节数组, 这个字节数组保存了客户端通过PUBLISH命令发送给节点的channel参数和message参数, 而结构的channel_len和message_len则分别保存了channel参数的长度和message参数的长度:

• 其中bulk_data的0字节至channel_len - 1字节保存的是channle参数.

• bulk_data的channel_len字节至channel_len + message_len - 1自己保存的是message的参数.