Redis Cluster

Redis Cluster는 고가용성과 수평장을 지원하는 Redis의 분산 아키텍처로, 대규모 애플리케이션에서 빠르고 안정적인 데이터 저장 및 접근을 가능하게 합니다. 이 문서는 Redis Cluster의 개념, 아키텍처, 작동 원리, 장단점 및 운영 시 고려사항에 대해 상세히 설명합니다.

## 개요

Redis는 대표적인 인메모리 데이터베이스로, 키-값 저장소 기반의 고성능 데이터 처리를 제공합니다. 그러나 단일 Redis 인스턴스는 확장성과 장애 대응에 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 **Redis Cluster**입니다.

Redis Cluster는 데이터를 여러 노드에 분산 저장하고, 자동으로 장애 복구(failover)를 수행하는 기능을 내장하고 있습니다. 이를 통해 **수평 확장(horizontal scaling)** 과 **고가용성(high availability)** 을 동시에 달성할 수 있습니다. Redis 3.0 버전부터 공식 지원되며, 현재 많은 대규모 서비스에서 핵심 인프라로 활용되고 있습니다.

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## 아키텍처 개요

Redis Cluster는 다음과 같은 핵심 구성 요소로 이루어져 있습니다:

- **노드(Node)**: Redis 인스턴스 하나를 의미합니다. 클러스터는 최소 6개의 노드(3개의 마스터 + 3개의 슬레이브)로 구성하는 것이 권장됩니다.
- **슬롯(Slot)**: 전체 키 공간은 16,384개의 해시 슬롯(hash slot)으로 나뉩니다. 각 키는 해시 함수(CRC16)를 통해 특정 슬롯에 매핑되며, 이 슬롯은 특정 마스터 노드에 할당됩니다.
- **마스터 노드**: 데이터를 저장하고 쓰기 요청을 처리합니다.
- **슬레이브 노드**: 마스터 노드의 데이터를 복제하며, 마스터 장애 시 자동으로 마스터로 승격됩니다.

### 데이터 분산 방식

Redis Cluster는 **해시 슬롯 기반의 분산 방식**을 사용합니다. 키가 들어오면 다음과 같은 절차를 따릅니다:

1. `CRC16(key) % 16384` 계산을 통해 해당 키의 슬롯 번호를 결정합니다.
2. 슬롯 번호에 따라 어떤 마스터 노드가 담당하는지 확인합니다.
3. 클라이언트는 해당 노드로 요청을 전달합니다.

이 방식은 데이터의 균형 있는 분산을 가능하게 하며, 노드 추가/제거 시에도 슬롯 재분배가 부분적으로만 이루어져 데이터 이동 비용을 최소화합니다.

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## 주요 기능

### 1. 자동 샤딩(Automatic Sharding)

Redis Cluster는 클라이언트가 아닌 클러스터 내부에서 데이터를 자동으로 분산합니다. 클라이언트는 키에 따라 어느 노드로 요청을 보낼지 판단해야 하며, 이를 위해 **MOVED 리디렉션 응답**을 사용합니다. 예를 들어, 클라이언트가 잘못된 노드에 요청을 보내면, 해당 노드는 `MOVED <slot> <ip:port>` 응답을 반환하여 올바른 노드를 안내합니다.

### 2. 고가용성 및 장애 복구

각 마스터 노드는 하나 이상의 슬레이브 노드를 가질 수 있습니다. 마스터 노드가 다운되면, 클러스터 내의 다른 마스터 노드들이 장애를 감지하고, 다수결(voting)을 통해 해당 마스터의 슬레이브를 새로운 마스터로 승격시킵니다. 이 과정은 **자동으로** 이루어지며, 서비스 중단 시간을 최소화합니다.

### 3. 클러스터 상태 관리

노드들은 주기적으로 **Gossip 프로토콜**을 사용해 클러스터의 상태(노드 상태, 슬롯 할당 등)를 교환합니다. 이를 통해 모든 노드가 전체 클러스터의 구조를 인지하고, 장애 감지 및 데이터 경로 최적화가 가능합니다.

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## 운영 및 구성

### 클러스터 구성 방법

Redis Cluster는 `redis-cli --cluster create` 명령어를 통해 쉽게 구성할 수 있습니다:

```bash
redis-cli --cluster create 192.168.1.10:6379 192.168.1.11:6379 \
  192.168.1.12:6379 192.168.1.10:6380 192.168.1.11:6380 \
  192.168.1.12:6380 --cluster-replicas 1
```

이 명령은 3개의 마스터와 각각 1개의 슬레이브를 가지는 클러스터를 구성합니다.

### 슬롯 재분배

노드를 추가하거나 제거할 때는 `redis-cli --cluster reshard` 명령을 사용해 슬롯을 재분배할 수 있습니다. 이 과정은 온라인 상태에서 수행 가능하며, 서비스 중단 없이 확장이 가능합니다.

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## 장점과 한계

### ✅ 장점

- **고성능**: 인메모리 처리 기반으로 매우 빠른 응답 속도 제공.
- **수평 확장**: 데이터 증가에 따라 노드를 추가해 용량과 처리량을 늘릴 수 있음.
- **자동 장애 복구**: 마스터 장애 시 슬레이브가 자동으로 승격.
- **무정지 확장**: 온라인 상태에서 노드 추가 및 슬롯 재분배 가능.

### ❌ 한계

- **복잡한 쿼리 미지원**: Redis는 기본적으로 단순한 키-값 연산 중심이며, 조인, 복잡한 쿼리 등을 지원하지 않음.
- **일관성 모델**: 기본적으로 최종 일관성(eventual consistency)을 따르며, 일부 데이터 손실 가능성 존재(네트워크 분할 시).
- **클라이언트 지원 필요**: 클러스터를 제대로 활용하려면 클러스터를 인식하는 클라이언트 라이브러리가 필요함.

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## 참고 자료 및 관련 문서

- [Redis 공식 문서 - Cluster Tutorial](https://redis.io/docs/management/scaling/)
- [Redis Cluster Specification](https://redis.io/docs/reference/cluster-spec/)
- 관련 기술: **Redis Sentinel**, **Memcached**, **Apache Ignite**

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Redis Cluster는 실시간 데이터 처리가 요구되는 시스템에서 핵심 인프라로 자리 잡고 있으며, 적절한 아키텍처 설계와 운영을 통해 안정적이고 확장 가능한 인메모리 데이터 저장소 환경을 구축할 수 있습니다.