随着大数据时代的到来,传统数据库已难以满足高并发情况下的数据访问,Redis内存数据库因能为大数据提供高性能和稳定性而广为采用。Redis不仅支持多种类型的数据结构、事务功能、订阅发布机制,还具有故障自动处理等特性。随着应用中数据量的增长,Redis集群解决了服务器负载量大以及单机下的内存瓶颈等问题。然而随着Redis集群方案被广泛使用,也出现了故障转移后数据同步低效、负载均衡优化等问题,为保证Redis集群的高性能以及高可用,需要从形式化方面对Redis集群进行建模分析与研究。本文的研究对象是Redis集群消息通信机制,其目的是实现集群的一致性与可用性。基于形式化方法的高可信特性和Redis集群一致性和可用性的需求,采用通信顺序进程(Communicating Sequential Processes,CSP)对Redis集群消息通信机制进行形式化分析与验证。通过分析消息通信各个实体之间的行为,将整个系统抽象为Meet消息通信和Ping-Pong消息通信两个模块,并给出了相关集合、消息和通道的定义,构建了Redis集群消息通信机制的CSP模型。然后,采用模型检测工具PAT(Process Analysis Toolkit)对构建的CSP模型进行代码实现,完成了常量、变量、通道的定义以及Meet消息通信和Ping-Pong消息通信过程的代码实现。接着对该模型需要验证的性质进行定义与实现并给出验证结果。由结果可知,Meet消息通信模块满足无死锁性和可交换性,即握手的两个节点能够实现消息交换。另外,Ping-Pong消息通信模块满足无死锁性、可结束性、可传播性和最终一致性,即任何一个节点的消息最终总能在集群中被其他节点获取。从形式化方法角度验证了Redis集群消息通信机制能够保证集群状态的最终一致性。最后,基于Redis集群消息通信机制引入了Redis集群故障处理机制,分析了复制、故障检测、故障转移三个过程并构建了Redis集群故障处理机制的CSP模型,接着验证了模型的命令可传播性、故障可测性和故障可转移性,从而保证了Redis集群的高可用性。随后,针对故障转移后数据同步的低效问题,通过引入父节点链的方式,提出一种将消耗网络带宽、计算资源的完全同步转换为高效率、低能耗的部分同步的优化方案,并通过形式化方法验证该方案的有效性。