一、主從復制 (Master-Slave Replication)

1. 基本概念

主從復制是Redis最簡單的集群模式，由一個主節點(Master)和一個或多個從節點(Slave)組成。

2. 工作原理

• 數據同步：從節點啟動時會向主節點發送SYNC命令，主節點執行BGSAVE生成RDB文件并發送給從節點

• 命令傳播：主節點將寫命令持續發送給從節點，保持數據同步

• 全量/增量同步：初次連接為全量同步，斷線重連后可能使用增量同步(PSYNC)

3. 優缺點

• 優點：

  • 讀寫分離，提高讀性能

  • 數據冗余，提高數據安全性

  • 故障恢復相對簡單

• 缺點：

  • 主節點故障需要手動切換

  • 寫操作仍然集中在主節點

  • 全量同步時網絡開銷大

二、哨兵模式 (Sentinel)

1. 基本概念

哨兵是Redis的高可用解決方案，由一個或多個哨兵節點監控主從集群，實現自動故障轉移。

2. 核心功能

• 監控：持續檢查主從節點是否正常運行

• 通知：當被監控節點出現問題時，向管理員發送警報

• 自動故障轉移：主節點故障時，自動將一個從節點升級為主節點

• 配置提供者：為客戶端提供最新的主節點地址

3. 工作原理

3.1. 監控機制

每個哨兵節點會：

• 每秒一次向所有主從節點和其他哨兵節點發送PING命令

• 如果實例在配置的down-after-milliseconds時間內沒有有效回復，該實例會被標記為"主觀下線"(SDOWN)

• 當足夠數量的哨兵(通常需要quorum數量)都將主節點標記為"主觀下線"時，主節點會被標記為"客觀下線"(ODOWN)

3.2. 故障轉移流程

• 選舉領頭哨兵: 當主節點被判定為客觀下線時，哨兵節點會通過Raft算法選舉出一個領頭哨兵(leader)來負責故障轉移

• 選擇新主節點: 領頭哨兵會根據以下規則從從節點中選擇新的主節點：

  • 優先級高的(由slave-priority配置)

  • 復制偏移量大的

  • 運行ID小的

• 提升新主節點: 將選中的從節點提升為主節點

• 重新配置從節點: 讓其他從節點改為復制新的主節點

• 通知客戶端: 通知客戶端主節點已變更

• 舊主節點處理: 如果舊主節點重新上線，會被配置為新主節點的從節點

4. 優缺點

• 優點：

  • 自動故障轉移，提高可用性

  • 監控功能完善

  • 配置管理自動化

• 缺點：

  • 寫操作仍然單點

  • 故障轉移期間可能出現數據丟失

  • 集群規模較大時管理復雜

三、Cluster集群模式

1. 基本概念

Redis Cluster是Redis的分布式解決方案，通過數據分片(Sharding)實現水平擴展。

2. 核心特性

• 數據分片：使用哈希槽(16384個slot)分配數據

• 高可用：每個分片有主從復制

• 去中心化：節點間通過Gossip協議通信

3. 工作原理

3.1. 哈希槽分配

• 當集群啟動時，所有哈希槽（0-16383）需要被分配到各個節點上。每個節點負責存儲分配給它的哈希槽中的鍵值對。

• 例如，一個包含6個節點的集群，可以將哈希槽分配如下：

  • 節點1：0-5460

  • 節點2：5461-10922

  • 節點3：10923-16383

  • 節點4、5、6作為從節點，分別復制節點1、2、3的數據。

3.2. 數據訪問

• 客戶端在訪問集群時，需要通過哈希槽來定位數據所在的節點。客戶端會根據鍵的哈希值計算出對應的哈希槽，然后根據哈希槽的分配情況找到對應的節點。

• 如果客戶端訪問的鍵所在的節點發生故障，客戶端會自動重試，直到找到新的主節點。

3.2. 故障轉移

• Gossip協議

  • 節點間通過TCP端口（默認集群端口=客戶端端口+10000）通信

  • 每秒隨機選擇幾個節點進行PING/PONG消息交換

  • 包含的集群元數據：

    • 節點列表和角色

    • 槽位分配信息

    • 節點狀態（正常/疑似下線/已下線）

• 故障檢測

  • 節點A標記節點B為"疑似下線"(PFAIL)

  • 通過Gossip協議傳播狀態

  • 當多數主節點確認B下線，標記為"已下線"(FAIL)

  • 觸發故障轉移

3.2. 數據遷移

• 在集群運行過程中，如果需要對哈希槽進行重新分配（例如添加或移除節點），Redis集群支持在線遷移。

• 數據遷移過程是逐步進行的，不會阻塞集群的正常運行。遷移完成后，哈希槽的分配會更新，客戶端會根據新的分配情況訪問數據。

4. 優缺點?

• 優點：

  • 真正的分布式，支持水平擴展

  • 部分節點故障不影響整體服務

  • 自動故障轉移

• 缺點：

  • 不支持多數據庫（只能使用db0）

  • 批量操作受限（需所有key在同一slot）

  • 事務限制（所有key必須在同一節點）

  • 遷移大key可能影響性能

四、三種模式對比

特性	主從復制	哨兵模式	Cluster集群
數據分布	全量復制	全量復制	分片(16384 slots)
寫擴展性	單點寫入	單點寫入	多主節點寫入
讀擴展性	支持	支持	支持
故障轉移	手動	自動	自動
客戶端復雜度	簡單	中等	復雜
適用場景	讀多寫少	需要高可用	大規模數據

五、選擇建議

1. 主從復制：適合讀多寫少，對可用性要求不高的場景

2. 哨兵模式：需要高可用且數據量不大的場景

3. Cluster集群：數據量大、需要水平擴展和高可用的場景

實際生產中，Redis Cluster是當前最推薦的集群方案，特別是對于大規模部署。