基于Docker的Redis缓存架构的研究

摘要：Redis具备高速的读写能力，是一个典型的分布式读写分离模型。我们可以利用master插入数据，slave提供检索，从而有效减少单个机器的并发访问数量。基于分布式模型的Redis在带来高扩展性、高容错性的同时，无疑也加大了后期部署与运维的难度。该文进行Redis与Docker技术的结合，进行了基于Docker的Redis缓存架构的研究，通过实验，证明了基于容器的Docker虚拟化技术，在快速部署、便捷运维方面具有较大的优势。

关键词：Redis；Docker；分布式；虚拟化

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）23-0056-03

The Research on Redis Cache Architecture Based on Docker

TIAN Yu-jing， ZHANG Chen-guang，REN Nv-er

（China Automotive Technology & Research Center， Tianjin 300300， China）

Abstract：Redis has the ability high speed reading and writing ，and it is a typical distributed reading and writing separated model.We can insert data in use of master and search data by slave，so as to reduce the number of concurrent access to a single machine. Redis， Distributed model， bring high scalability，high fault tolerance，meanwhile，it make deployment and maintain harder.This paper will combine Redis and docker， making a research about it’s architechure . By the research ，it prove that virtualization technology depending on docker has the advantage in deployment and crossing platform.

Key words： Redis； Docker； distribution； virtualization

身处云计算迅猛发展浪潮之中，网络用户数急速增长，世界各行各界致力于信息化、自动化、大数据化建设中。如今系统应用与日俱增，负载压力问题层出不穷，高负荷量是当前面临的极大问题之一 [1]。要让服务器快速响应用户并承受越来越大的负荷量，高速缓存Redis不失为一个好的选择。同时，内存数据库局限于内存的容量限制，基于分布式模型的Redis缓存解决了该问题。此外，PaaS（平台即服务）可提供用户环境搭建、部署、运行时的服务器等平台，软件开发人员和运维人员可以从基础设施日常管理、安全问题中解放出来，从而更加专注于业务开发和算法计算。在构建PaaS平台的工具和软件日趋成熟的过程中，Docker以其基于容器的虚拟化技术独树一帜，影响了整个虚拟化技术的领域。而使用Docker作为部署项目的过程中，也正面临着越来越多的应用领域，基于Docker部署、运行分布式缓存架构的研究也日趋重要。因此，本文研究基于Docker的Redis缓存架构，解决了在Docker目前使用过程中对Redis部署较为单一的情况，实现了快速部署运行Redis分布式缓存的方案[2]。

1 Redis

1.1 Redis概述

Redis是一个由C编写的 、键值的开源存储系统。Redis的出现，在某些方面完善了关系数据库存储的不足的问题 [3]。在内存数据库类型中有Redis和Memcached，它们都支持多种Value类型，但Redis支持存储的值类型更加广泛，Redis中值的类型对于字符串集合（有序和无序）、字符串列表及单纯字符串，都可以做良好的支持。其次，Redis涵盖了多种多样的排序方式。它的另一个优点是可以进行主服务器到从服务器的同步，这对于读取操作的扩展以及数据冗余方面给予了很大的支持。Redis提供的语言版本多样，更加快速，并且支持数据持久化，用户使用起来十分方便[4]。

1.2 Redis优势

Redis主要包含的值类型除了较为常见的String类型外，还支持内部实际存储为HashMap的Hash类型、基于链表实现的List类型、基于HashMap的Set类型，以及支持排序的Sorted set类型等。因此，提供了非常方便和快速的使用方式[5]。此外，Redis的主要优势为以下几点：

1）速度较快：Redis的速度十分快，写的速度可以达到惊人的八万一千次每秒，而读的速度也可以达到十一万次每秒。

2）支持丰富的数据类型：Redis支持更多的数据类型，例如像列表，集合，有序集合，散列数据类型。这就使得程序开发人员在遇到不同场景的时候有更多的选择。

3）操作的原子性：不同用户访问是否能够保证数据的最新，这是用户关注的一点，Redis的原子性恰恰可以解决这方面的问题[6]。

4）Redis的多功能实用工具：应用范围广，能使用在多个场景或实例中。

除了上述的优点外，Redis还具有很多其他优势功能。例如pubsub、聚合等。

1.3 Redis分布式应用

Redis应用的场景非常多，主要可以在缓存、计数、队列、防止垃圾邮件、过期项目处理、按照用户投票和时间排序等。而最重要的应用场景自然是本文研究内容之一Redis的缓存。总的来说，Redis在很多场景下都是可以直接做为memcached的替代者，而在选择数据类型相对广泛的时候，Redis是可以作为一个重要的选择的[7]。

但是Redis的局限性在于内存数据库局限于内存的容量大小。因此，部署分布式Redis为形势所向。Redis本身为单点模式，本文处理Redis分布式实现采用一致性Hash原理，采用以key对应Redis节点的方式作为master管理，并提供一定的脏数据节点处理功能，保证数据的完整性和正确性。

2 Docker

2.1 Docker概述

Docker的主要面向对象是系统的开发人员以及系统管理人员，它是一个优秀的开源分布式框架。它主要由Docker Engine和Docker Hub两个部分组成[8]。Docker类似于虚拟化服务器，它可以通过对操作系统虚拟化，使得一台机器上面可以运行多个工作。Docker的最大优点就是容器可以提供便携性，不论是在虚拟机器还是物理服务器上运行容器。容器给大量部署应用的需求提供了一个快速便捷的解决方案。Docker容器技术便于开发人员可以更简单、更快速创建容器，在程序的部署以及应用的维护管理更加便捷。

2.2 Docker优势

Docker作为开发者和系统管理员在应用开发和部署中的开放式平台，将Container技术融合并开源化，体现出便携式，轻量级及高性能等诸多优点[11]。

1）拥有VM的有点的同时，Docker拥有自己更突出的地方。关键的一点是Docker更小、更快。在尺寸方面进行了优化，相较于VM，更适合于云端的使用。

2）Docker的开放性能够降低QA和环境之间的耦合性，构建、等操作都是十分简洁的。

3）Docker具有很好的沙盒式隔离性，将应用和系统进行模块式容器化管理，不需要添加任何操作系统。

4）Docker的开源性 ，使得成本降低。适用于多平台管理，统一化生产，测试，流程。

2.3 Docker原理

Docker采用的架构是客户端/服务器形式的。从客户端开始，以TCP/REST发送请求，然后Docker Host进行请求的收集，最终实现远程控制。服务器端接收客户端的请求是靠Docker Client进行的，然后做分布等处理，使得在一个机器上面可以同时运行多个工作任务。Docker daemon的运行方式是在宿主机的后台，客户端和daemon是可以进行直接交互的[9]。Docker的实现原理与其特性也是紧密关联的，如Docker的交互式shell、日志记录、资源隔离等，Docker的具体架构图如下：

Docker宿主机与容器进行交互方式有共享目录、桥接网络、共享网络、容器模式网络、none无网络等方式。其中，为了确保容器内容的安全性，使用共享目录的方式安装软件、配置log，进行数据的备份和物理存储；使用容器模式在宿主机内部进行沟通。在进行跨host宿主机的方式中，采用Docker的沟通方式、宿主机分管各个内部容器的交互方式。

3 基于Docker构建Redis分布式缓存

3.1 主体架构思路

Docker的运行方式主要以宿主机分管容器的方式，而Redis为主从式分布式方式，而Docker的容器和Redis的从节点服务器均具有可扩展性。本文的主要实验思路是把Redis的环境整合到一个Image中，当Client需要搭建时，只需要打包好的Image，并进行环境变量的配置。如图1所示为Redis的Docker化。

整个架构按照主从式结构进行设计和部署，使用Docker的宿主机进行容器管理和Redis主服务master管理；通过Docker宿主机监控配有Redis slave的容器进行启动；在启动的过程中，通过容器的启动和扩展实现Redis的扩展。

3.2 架构实现流程

1）安装Docker。从Registory中下载ubuntu并且建立container。同时准备好Redis以及其他需要的软件环境。

2）通过创建安装文件路径，将压缩包拷贝到主机host的目录/app/software/下 ，以container共享文件加的方式运行container的bash，进入目录后解压缩，设置环境变量等步骤安装JDK[10]。

3）拷贝Redis安装软件至共享目录。

4）运行container，解压缩$ tar xzf Redis-2.6.13.tar.gz。

5）$ make、$ make install命令，在/usr/local/bin目录下生成本个可执行文件。

6）将container内部信息打包成Image。

7）客户端创建Master的container，同时根据需求创建Slave的container。

8）Master的Container中Hosts指向对应Slave，构建二者的关联。

9）平台运行，分别测试启动1G、5G、10G、20G、50G、100G内存的情况。

3.3 Docker启动与普通分布式Redis缓存分析

在本架构测试方案中，采用Docker启动Redis和普通分布式Redis启动进行分析对比。均采用16G内存的虚拟ubuntu系统、从节点逐个启动的方式作为测试。如下图3所示，X轴代表Redis内存大小，单位为G，Y轴代表配置时间。可以看出，当内存数较小的时候，性能没有较大的差异；当内存数比较多、需要部署更多的机器时，Docker需要的启动单位时间只是增加启动容器的时间，而启动容器一般在数秒即可完成，但是普通的分布式Redis启动则需要逐一启动所有的ubuntu虚拟机。也就是说，部署的节点数越多，Docker也就越便捷。

除此以外，由于Docker容器模式的网络，致使在Redis持久化存储上具有更便捷的交互模式和更高的安全可靠性。

4 结束语

对于应用来讲，Redis具有巨大的性能优势，但由于它是对内存的一种管理和使用模式，在部署和维护方面并不方便；而Docker作为基于容器的虚拟化技术，能够快捷方便地管理内存，并实现分布式并发处理。通过以上基于Docker的Redis缓存架构的研究和实验仿真，设计和解决两者结合的架构性问题，验证了Docker做分布式缓存的高效性、高可用性。此外，还可以通过Docker API使用脚本调用的方式，进一步自动化、高效快速的部署、运维以及分级管理Redis缓存。该研究对Redis缓存的应用性能以及其运维模式具有重要的实用价值。

参考文献：

[1] James Turnbull. The Docker Book[M]. Amazon Digital Services， Inc， 2014.

[2] Jang Seung-Ju. Design of the Remote Management System in the Windows Operating System[J]. International Journal of Computer Science and Network Security， 2011， 11（11）： 38?42.

[3] 杨保华， 戴王剑， 曹亚仑. Docker技术入门与实战[M]. 北京： 机械工业出版社， 2014.

[4] 陈如明.大数据时代的挑战，价值与应对策略[J].移动通信，2012（17）：14-15.

[5] 鞠春利，刘印锋.基于Docker的私有PaaS系统构建[J].轻工科技，2014（10）：80-83.

[6] 张忠琳，黄炳良.基于openstack云平台的docker应用[J].软件，2014 （11）：73-76.

[7] 王鑫涛.云管理平台中虚拟网络设计与实现[D]. 大连： 大连理工大学，2013.

[8] 刘高军.基于Redis的海量小文件分布式存储方法研究，2013（10）.

[9] 曾超宇.Redis在高速缓存系统中的应用[J].微型机与应用，2013（12）.

[10] 唐诚.Redis数据库在微博系统中的实践[J].厦门城市职业学院学报，2012（3）.

[11] 杨莎莎， 邹华. 托管Paas平台安全容器的设计与实现[J]. 软件， 2012， 33（12）： 1-5.