高 昕，黃 真

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061）

1 Redis 介紹

Redis 的全名為遠(yuǎn)程字典服務(wù)（Remote Dictionary Server），它是一個(gè)基于內(nèi)存的鍵-值（Key-Value）數(shù)據(jù)庫(kù)，在很大程度上彌補(bǔ)了內(nèi)存緩沖存儲(chǔ)的匱乏[1]。Redis 為 Value 提供了非常靈活的數(shù)據(jù)形式，主要包括字符串（String）、鏈表（List）、集合（Set）、有序集合（Zset）及哈希表等[2]。對(duì)于不同的存儲(chǔ)需求，Redis 中總可以找到相應(yīng)的鍵-值數(shù)據(jù)類型來(lái)匹配，例如將 String與 Json（JavaScript 對(duì)象表示法）進(jìn)行結(jié)合，可以將完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入值中，而哈希表的方式又為成員變量的快速存取提供了極大的方便。Redis 在將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入內(nèi)存的同時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，采用快照存儲(chǔ)（Snapshotting）或附加文件（AOF）的方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化[3]，一定程度上保證了數(shù)據(jù)安全，防止系統(tǒng)故障等意外事故對(duì)重要數(shù)據(jù)的影響。

Redis 支持多個(gè)實(shí)例的集群，采用一主（Master）多從（Slave）的方式，主/從之間采用數(shù)據(jù)復(fù)制的方式，可以將因單一 Redis 實(shí)例故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失及系統(tǒng)故障的概率降至最低，且結(jié)構(gòu)上支持多級(jí)主/從[4]。集群內(nèi)的主/從復(fù)制功能對(duì)雙方都不會(huì)產(chǎn)生阻塞（圖1），從節(jié)點(diǎn)可以只當(dāng)作主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)冗余備份，也可以提供只讀命令來(lái)減輕主節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的壓力[5]。

圖1 主/從復(fù)制原理

2 Redis-Sentinel 服務(wù)及發(fā)布/訂閱機(jī)制

2.1 Redis-Sentinel 服務(wù)

Redis-Sentinel 是 Redis 官方推薦的高可用性解決方案，其本身也是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程，它能監(jiān)控多個(gè)主/從集群，發(fā)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)后能進(jìn)行自動(dòng)切換。主要有以下功能。

（1）監(jiān)控：Sentinel 時(shí)刻監(jiān)控 Redis 是否按照預(yù)期良好地運(yùn)行。

（2）提醒：如果發(fā)現(xiàn)某個(gè) Redis 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行出現(xiàn)狀況，能夠通知集群中其他 Sentinel 進(jìn)程或應(yīng)用服務(wù)。

（3）自動(dòng)故障遷移：當(dāng) 1 個(gè)主節(jié)點(diǎn)不可用時(shí)，能夠從該主節(jié)點(diǎn)的多個(gè)從節(jié)點(diǎn)中推選出 1 個(gè)可用的升為主節(jié)點(diǎn)，并通知其他從節(jié)點(diǎn)從新的主節(jié)點(diǎn)復(fù)制數(shù)據(jù)。

（4）Sentinel 本身支持集群的方式，對(duì)于主/從的切換采用多數(shù)表決的方法進(jìn)行推選。另外，即使并非全部的 Sentinel 都在工作，Sentinel 也可以正常工作。Redis 與Redis-Sentinel 建立的集群結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Redis 集群框架

2.2 Redis 的發(fā)布/訂閱機(jī)制

Redis 的發(fā)布/訂閱（Pub/Sub）功能類似于以往的消息路由功能，發(fā)布/訂閱模式包含 2 種角色，分別是發(fā)布者和訂閱者。發(fā)布者發(fā)布消息，訂閱者接收消息，而訂閱的頻道則用來(lái)溝通發(fā)布者和訂閱者。發(fā)布/訂閱模式可以為進(jìn)程之間提供消息傳遞，訂閱者可以訂閱 1 個(gè)或若干個(gè)頻道，發(fā)布者可以向任意頻道發(fā)送消息，只要訂閱了此頻道，都將收到此消息[6]。

在 Redis-Sentinel 的集群應(yīng)用中，客戶端通過(guò)應(yīng)用程序接口（API）向任一 Sentinel 服務(wù)訂閱主/從切換的通知消息，則當(dāng) Sentinel 監(jiān)測(cè)到主節(jié)點(diǎn)或從節(jié)點(diǎn)的任何狀態(tài)變化時(shí)（上線、下線、表決結(jié)果及故障切換狀態(tài)等），都將通過(guò)消息通道發(fā)送到客戶端，通知客戶端重新連接最新的主/從節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

3 典型的車載系統(tǒng)組成

與地鐵不同，有軌電車因?yàn)樽陨淼奶攸c(diǎn)（與公共交通共享路權(quán)、行駛速度低等）決定了車載系統(tǒng)為非“故障-安全”系統(tǒng)[7]。在該系統(tǒng)中，控制及采集、顯示終端均采用雙機(jī)熱備的方式，分別放置于車廂兩端的駕駛艙中[8]。典型的有軌電車車載系統(tǒng)的組成如圖3 所示。

該系統(tǒng)的組成主要包括以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）2 套冗余的車載控制主機(jī)（OBU）獨(dú)立接收各種外部接口數(shù)據(jù)；

（2）數(shù)據(jù)匯集在被接收的 OBU 中，2 套OBU 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

（3）1 套 OBU 故障時(shí)，由另外 1 套系統(tǒng)進(jìn)行控制接管。

該系統(tǒng)構(gòu)架對(duì)于非“故障-安全”的系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)功能要求，但可能帶來(lái)的問(wèn)題主要有：

（1）2 套 OBU 之間需要在軟件級(jí)別同步數(shù)據(jù)，如當(dāng)主用機(jī) GPS 接收故障時(shí)，備用機(jī)接收到 GPS 位置數(shù)據(jù)時(shí)需要與主用機(jī)同步，既要考慮數(shù)據(jù)同步周期等問(wèn)題，也要定義復(fù)雜的通信接口；

（2）針對(duì)每個(gè) OBU 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收到的外部數(shù)據(jù)及系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)一般被存儲(chǔ)在進(jìn)程自身的內(nèi)存中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的持久化通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行本地文件的讀寫來(lái)完成，當(dāng)系統(tǒng)故障重啟時(shí)可能會(huì)造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失；

（3）客戶端對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)只能通過(guò)向主用 OBU 主動(dòng)查詢或接收主用 OBU 的數(shù)據(jù)推送而獲得。

綜上列舉的應(yīng)用層的問(wèn)題，雖然不會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來(lái)影響，但卻為功能的實(shí)現(xiàn)增加了操作復(fù)雜度，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)模塊之間需要定義非常復(fù)雜的基于網(wǎng)絡(luò)的通信接口，也為系統(tǒng)間模塊增加了很大的耦合性。

4 基于 Redis 集群的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖3 車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

基于 Redis 集群的車載系統(tǒng)方案，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)主要有：

（1）Redis 是一個(gè)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)內(nèi)的任意授權(quán)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)用程序接口（API）從集群中獲取最新的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)訪問(wèn)的隨機(jī)性上十分靈活；

（2）任意的接口程序都可以通過(guò) API 及集群代理軟件將最新的數(shù)據(jù)寫入 Redis，數(shù)據(jù)庫(kù)中只保存 1 份最新的數(shù)據(jù)，為冗余系統(tǒng)的應(yīng)用層開(kāi)發(fā)帶來(lái)便利；

（3）Redis 系統(tǒng)集群中，主/從的復(fù)制由 Redis 負(fù)責(zé)執(zhí)行，用戶不需要關(guān)心冗余系統(tǒng)中多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)不一致或新上電機(jī)器的數(shù)據(jù)同步問(wèn)題；

（4）集群系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)客戶端或服務(wù)端的故障而受到影響，且 Redis 的持久化技術(shù)可以將內(nèi)存數(shù)據(jù)按照設(shè)定的方式固化到本地文件中，保證了數(shù)據(jù)的安全性，當(dāng) Redis 故障重啟時(shí)，可以從本地文件中重新加載數(shù)據(jù)到內(nèi)存；

（5）Redis 的數(shù)據(jù)訪問(wèn)十分高效，支持單步、事務(wù)、異步及管道技術(shù)等方法進(jìn)行批量數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)[9]。

由此可見(jiàn)，采用 Redis 集群技術(shù)的車載系統(tǒng)可以為應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)提供極大的便利性和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定性，基于此思路建立的車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

分析圖4 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可知：

（1）字母 A、B 分別代表2 套車載設(shè)備對(duì)應(yīng)的實(shí)例，每套設(shè)備均配備獨(dú)立的前置接口程序；

（2）2 個(gè)以上的 Redis 實(shí)例被平分在 2 套車載設(shè)備OBU中，組成 Redis 集群；多個(gè) Redis-Sentinel 實(shí)例被平分在 2 套車載設(shè)備 OBU 中，組成 Redis-Sentinel 集群，如圖4 中虛線框部分；

（3）Redis 集群數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部主/從關(guān)系由 Sentinel集群表決決定，Redis 集群內(nèi)部提供主/從數(shù)據(jù)復(fù)制及數(shù)據(jù)持久化功能；

（4）Redis 集群內(nèi)的主/從狀態(tài)由 Sentinel 集群進(jìn)行廣播通知，所有集群內(nèi)部 Redis 實(shí)例對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)元素開(kāi)放，如智能顯示終端（TOD）可根據(jù) OBU 的主備狀態(tài)及 Redis 集群的主/從關(guān)系，動(dòng)態(tài)設(shè)定讀訪問(wèn)實(shí)例及寫訪問(wèn)實(shí)例，實(shí)行負(fù)載均擔(dān)；

（5）在 Redis 集群及應(yīng)用軟件之間添加集群代理層軟件（Redis-Proxy），集群的任何狀態(tài)變化由代理軟件進(jìn)行收集并實(shí)時(shí)切換讀寫鏈接，同時(shí)代理軟件的功能將實(shí)現(xiàn)集群的主/從切換對(duì)上層應(yīng)用程序透明，通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Redis數(shù)據(jù)的讀寫訪問(wèn)；

（6）2 套系統(tǒng)中任何進(jìn)程的單點(diǎn)故障都不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，包括智能顯示終端（TOD）、通信接口、單一的 Redis 庫(kù)、單一的 Redis-Sentinel 實(shí)例等。

圖4 基于 Redis 集群的車載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

自 Redis 問(wèn)世以來(lái)就以其高效的內(nèi)存訪問(wèn)速度、靈活的數(shù)據(jù)形式、可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及基于 Web 的訪問(wèn)方式等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)所應(yīng)用[8]，如新浪微博建立了史上最大的 Redis 集群，用于數(shù)據(jù)發(fā)布及存儲(chǔ)，說(shuō)明 Redis 的強(qiáng)大功能已經(jīng)獲得了互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)緩存行業(yè)的認(rèn)可。但在城市軌道交通信號(hào)領(lǐng)域中，Redis的應(yīng)用則少之又少，一方面是通信信號(hào)領(lǐng)域的安全性要求使然，另一方面則是由長(zhǎng)久以來(lái)信號(hào)領(lǐng)域的技術(shù)壟斷造成的。

本文主要結(jié)合江蘇省經(jīng)信委資助項(xiàng)目——“有軌電車運(yùn)行控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”的實(shí)施，對(duì)自主研發(fā)的有軌電車車載系統(tǒng)中 Redis 的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，證明 Redis 集群在城市軌道交通信號(hào)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)及應(yīng)用中是可行的。其實(shí)，Redis 功能的強(qiáng)大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了文中描述的內(nèi)容，還需要在實(shí)際使用中對(duì) Redis 集群功能進(jìn)行更加深入的研究與挖掘。

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