2019年5月，華為云發布全球首個自研ARM的分布式緩存鯤鵬Redis，搭載華為LibOS+華為編譯器+安全容器引擎三項黑科技，在保證Redis強勁高性能外，還降低客戶30%的使用成本，真正實現了好用不貴的普惠型分布式緩存Redis產品。
本文從技術視角解讀華為云鯤鵬Redis是如何通過數據中心基礎設施、芯片、硬件、軟件等全棧創新優化，達成以上效果。
一、為什么ARM架構適合Redis?
眾所周知，Redis是一款風靡全球的高性能、高靈活性、數據結構類型豐富的key-value內存數據庫，擁有毫秒級的響應時延。因此Redis對服務器內存、網絡帶寬時延要求極高,即：Redis的高性能能否發揮出來取決于服務器內存、網絡性能。
2019年3月， Redis之父Salvatore Sanfilippo(網名：antirez)就Redis ARM架構發展趨勢發表觀點，他表示把ARM作為Redis運行架構，并且通過了所有測試與驗證、性能穩定性非常好，Antirez列舉了很多測試數據，得到了廣大網友的支持。
由于Redis在設計上就采用單線程架構，所有IO和數據處理都是在同一個線程中完成的，所以單節點的Redis最多只能使用一顆CPU核心，單節點Redis的性能基本達到10萬QPS的量級后就沒法再向上擴展了。
在現實的業務系統中，對Redis性能往往都要求達到100萬QPS以上，甚至1000萬以上，這種場景下需要通過Redis集群的方式來擴展Redis性能，而集群性能的瓶頸成為了Redis架構性能優化關鍵的因素。
1.RedisProxy集群架構性能關鍵點
Proxy集群作為業界廣為流行的Redis集群，其架構如下：
在這個架構中，Redis集群由負載均衡器、Redis Proxy和Redis Server這三類節點組成。在此Redis集群架構中，Proxy節點和Redis Server都可以水平擴展，通過增加節點數量就可不斷提升Redis集群的整體性能。根據不同的業務訴求，集群性能可彈性擴展到100萬至1000萬QPS。也正是由于可通過增加節點數來提升集群整體性能，所以Redis單節點雖只用一顆CPU核心，CPU最高主頻限制Redis單節點性能，但在集群水平擴展模式下cpu主頻限制已經不太重要了。
在整個集群架構中，業務系統發出的Redis請求需要經過負載均衡器和Redis Proxy的兩次轉發后，才能到達Redis Server被真正處理，端到端的鏈路性能才是整個集群的最大性能瓶頸。實測結果也表明，Redis集群的端到端鏈路時延每減少1毫秒，集群整體性能可提升10%+。
2.RedisCluster集群架構性能關鍵點
Cluster集群作為Redis官方標準的集群，逐步成為客戶的集群首選架構，并實際應用到線上業務中。其架構如下：
Cluster集群相比Proxy集群減少了網絡跳數，性能更高、靈活性很強。該架構和Proxy集群一樣，突破了Redis集群對于CPU單核性能的依賴性，而端到端的鏈路性能才是整個集群的最大性能瓶頸。
從上述架構剖析可以了解到，Redis單核性能的關鍵在于CPU的處理能力，但Redis真實在CPU中操作的時間在納秒級別，不超過端到端時延的10%，因此Redis橫向擴展核心靠鏈路性能優化。
二、華為云鯤鵬Redis：三項黑科技助力Redis性能
1.華為自研LibOS構建高性能云服務基礎設施，助力Redis性能2倍提升
LibOS兼顧資源利用率和隔離性，同時滿足公有云資源利用率和多租戶隔離的訴求，成為公有云runtime的重要發展方向。創新的LibOS技術將Redis的軟件棧由10層壓縮到4層，實現了超低延時。
1) SOCKET標準接口，實現從內核態網絡棧平滑切換到用戶態。2) 輕量級協議棧，支持每個Redis實例有獨立的協議棧，避免協議棧共享導致的鎖競爭問題。3) 業務線程和用戶態協議棧共線程，零調度開銷。4) 發揮網卡極限性能，避免了中斷和調度導致時延增加。
2.華為編譯器通過智能動態編譯優化，提升熱點代碼性能15+%
華為自研編譯器針對公有云業務應用場景特征，通過智能動態編譯優化，提升熱點代碼性能15+%：
1) 由部署在云服務環境內的輕量級性能特征采集Agent，保存程序動態運行時的關鍵性能特征信息;
2) 通過智能編譯調優工具，以動態性能特征作為輸入，結合靜態代碼分析，產生更優的編譯策略;
3) 自研ARM64編譯器使用新的編譯策略重新編譯生成優化后的應用程序，熱點代碼性能提升明顯。
3.華為iSula自研安全容器引擎技術，以更少的系統資源占用，實現秒級實例分發與遷移
iSulad是華為自主研發的高性能、低開銷的容器引擎，通過鏡像下載加速技術和最小化啟動調用鏈條，實現容器的秒級啟動和遷移。配合LibOS，可實現可媲美虛擬機級別的安全隔離性，確保租戶只能使用它們可用的資源。
三、強悍性能支撐客戶業務成功
在某電商大客戶中，客戶業務數據量大、讀寫請求量大、峰值明顯且擴容頻繁、需求變化快等特點，對Redis依賴很重、性能要求很高，現網同時維護200+個Redis實例，疲于應付容量擴容、性能下降、鏈接無響應、持久化失敗等各種現網問題，給研發團隊帶來巨大挑戰。
為了應對業務增長帶來的大數據并發，解決系統瓶頸問題，客戶決定考察華為云鯤鵬Redis。在多次的技術場景交流、PoC驗證后，客戶果斷決策將自建的Redis實例全部遷移到鯤鵬Redis上，主要收益：
1) 性能收益。華為云基于全棧整合之后單實例性能達到10萬QPS以上，Cluster集群支持性能的線性擴展至千萬級別，足夠應付2019年的業務增長目標。
2) 價格收益。鯤鵬Redis降低客戶30%使用成本后，在做到同等規格實例比自建Redis更省錢的同時，資源使用率提升了20%。用花更少的錢，享受更大的容量。
3) 技術收益。鯤鵬Redis提供專業的技術支持，具備從硬件鏈路到軟件優化的能力，可以提供更優的系統級優化方案。
遷移是有開銷的，包括割接的穩定性測試與保障等，都需要人力投入。但客戶CTO表示，華為云提供了很好的遷移保障，大大提升遷移的效率減少了對現網業務的影響。相比長期合作所帶來的收益，這個開銷基本忽略不計。
華為云鯤鵬Redis，業界首個基于自研ARM-Based全棧整合的Redis云服務，支持雙機熱備的HA架構，提供單機、主備、Proxy集群、Cluster集群實例類型，滿足高讀寫性能場景及彈性變配的業務需求。
