Redis 哨兵（Sentinel）与集群（Cluster）实现原理详解

一、引言

Redis 在实际生产中不仅要保证高性能，还要保证高可用和可扩展。单机 Redis 虽然快，但存在单点故障风险，无法承载大规模数据量和高并发场景。
为了解决这些问题，Redis 提供了两大核心高可用与扩展方案：

• 哨兵模式（Sentinel）：主从复制 + 自动故障转移

• 集群模式（Cluster）：数据分片 + 主从高可用

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二、Redis 哨兵（Sentinel）原理

1. 架构概览

哨兵模式是在主从复制（Master-Slave Replication）基础上增加了 故障监控 和 自动故障转移 的机制。典型架构：

• 一个主节点（Master）

• 多个从节点（Slave）

• 多个哨兵节点（Sentinel）监控集群健康状态

2. 核心功能

1. 监控（Monitoring）：周期性 PING 主从节点，判断是否存活

2. 通知（Notification）：发现节点状态变化，通过 Pub/Sub 通知其它 Sentinel 和客户端

3. 自动故障转移（Automatic Failover）：当 Master 挂掉时，选择一个 Slave 提升为 Master

4. 配置提供者（Configuration Provider）：客户端可通过 Sentinel 获取当前主节点信息

3. 故障检测机制

哨兵的故障判断分为两步：

• 主观下线（SDOWN）：单个 Sentinel 认为节点不可用

• 客观下线（ODOWN）：达到 quorum 数量的 Sentinel 都认同某节点不可用

参数 quorum 定义了判定 ODOWN 所需的最少哨兵数。

4. 故障转移流程

1. 多个 Sentinel 通过 is-master-down-by-addr 命令交换状态

2. 发起 领导者选举（基于 Raft 思想，取多数同意的 Sentinel 作为 leader）

3. Leader Sentinel 从可用 Slave 中选择一个（优先级 → 复制偏移量 → ID 最小）

4. 发送 SLAVEOF NO ONE 将其提升为新 Master

5. 通知其他从节点执行 SLAVEOF <new-master>

6. 更新配置文件，广播新的主节点信息

5. Sentinel 的优缺点

• 优点

  • 配置简单，适合中小规模高可用部署

  • 自动故障转移，减少人工干预

• 缺点

  • 不支持数据分片

  • 故障转移期间可能丢失部分数据（异步复制延迟）

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三、Redis 集群（Cluster）原理

1. 架构概览

Redis Cluster 通过 哈希槽（Hash Slot） 实现数据分片，并为每个分片配备主从节点，既能 水平扩展 又能 保证高可用。

• 默认 16384 个哈希槽

• 每个主节点负责一部分槽

• 从节点作为副本提供冗余

2. 数据路由机制

客户端访问数据时：

1. 计算键的 CRC16 值

2. 对 16384 取模，确定哈希槽

3. 发送请求到负责该槽的主节点

如果访问的节点不是目标槽的节点，会返回 MOVED 或 ASK 重定向信息，客户端再去正确节点请求。

3. Gossip 协议

集群节点通过 Gossip 协议交换状态信息：

• ping/pong 消息 用于检测节点健康

• fail 消息 用于广播节点下线

• 保证集群最终一致性而非强一致性

4. 故障转移流程

• 当多数主节点检测到某主节点 FAIL 时，进入故障转移

• 从节点发起选举（基于配置纪元 configEpoch 版本号）

• 获胜的从节点执行 SLAVEOF NO ONE 升级为主节点

• 重新分配槽位并广播

5. Redis Cluster 的优缺点

• 优点

  • 自动分片，线性扩展

  • 主从高可用

  • 客户端直连节点，减少代理层延迟

• 缺点

  • 不支持多键跨槽事务（除非用 hash tags）

  • 配置相对复杂

  • 容忍度有限：每个分片主从全部挂掉则数据不可用

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四、应用场景

• Sentinel 适合：单业务数据库高可用（如缓存层、排行榜等）

• Cluster 适合：数据量大、访问分布均匀的场景（如社交 Feed、用户画像）

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五、典型使用这些原理的系统和中间件

• ZooKeeper：分布式协调，类似 Sentinel 的 Leader 选举机制

• Etcd：使用 Raft 协议做强一致性，类似 Cluster 的选主

• Kafka：分区副本 + Leader 选举，类似 Cluster 的分片模式

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六、总结

• Sentinel 偏向于 高可用，Cluster 兼顾 高可用+水平扩展

• 二者可结合使用，例如在每个分片内部署 Sentinel 做内部高可用