集群应用之Heartbeat

[首卷话]我们用到的集群系统主要就2种:

高可用(High Availability)HA集群, 使用Heartbeat实现;也会称为”双机热备”, “双机互备”, “双机”。
负载均衡群集(Load Balance Cluster)，使用Linux Virtual Server(LVS)实现;

heartbeat （Linux-HA）的工作原理：heartbeat最核心的包括两个部分，心跳监测部分和资源接管部分，心跳监测可以通过网络链路和串口进行，而且支持冗 余链路，它们之间相互发送报文来告诉对方自己当前的状态，如果在指定的时间内未受到对方发送的报文，那么就认为对方失效，这时需启动资源接管模块来接管运 行在对方主机上的资源或者服务。

LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中国国内最早出现的自由软件项目之一。章文嵩博士目前工作于中国国家并行与分布式处理重点实验室，主要从事集群技术、操作系统、对象存储与数据库的研究。

目标

使用集群技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器.
很好的可伸缩性（Scalability）
很好的可靠性（Reliability）
很好的可管理性（Manageability）。

 

1.Heartbeat 项目是 Linux-HA 工程的一个组成部分，它实现了一个高可用集群系统。心跳服务和集群通信是高可用集群的两个关键组件，在 Heartbeat 项目里，由 heartbeat 模块实现了这两个功能。随着Linux在关键行业应用的逐渐增多，它必将提供一些原来由IBM和SUN这样的大型商业公司所提供的服务，这些商业公司所提供的服务都有一个关键特性，就是高可用集群。下面描述了 heartbeat 模块的可靠消息通信机制，并对其实现原理做了一些介绍。

 

2原理

heartbeat （Linux-HA）的工作原理：heartbeat最核心的包括两个部分，心跳监测部分和资源接管部分，心跳监测可以通过网络链路和串口进行，而且支持冗 余链路，它们之间相互发送报文来告诉对方自己当前的状态，如果在指定的时间内未收到对方发送的报文，那么就认为对方失效，这时需启动资源接管模块来接管运 行在对方主机上的资源或者服务。

3高可用集群

高可用集群是指一组通过硬件和软件连接起来的独立计算机，它们在用户面前表现为一个单一系统，在这样的一组计算机系统内部的一个或者多个节点停止工作，服务会从故障节点切换到正常工作的节点上运行，不会引起服务中断。从这个定义可以看出，集群必须检测节点和服务何时失效，何时恢复为可用。这个任务通常由一组被称为“心跳”的代码完成。在Linux-HA里这个功能由一个叫做heartbeat的程序完成。

4消息通信模型

Heartbeat包括以下几个组件：
heartbeat – 节点间通信校验模块
CRM - 集群资源管理模块
CCM - 维护集群成员的一致性
LRM - 本地资源管理模块
StonithDaemon - 提供节点重启服务
logd - 非阻塞的日志记录
apphbd - 提供应用程序级的看门狗计时器
Recovery Manager - 应用故障恢复
底层结构–包括插件接口、进程间通信等
CTS – 集群测试系统，集群压力测试
这里主要分析的是Heartbeat的集群通信机制，所以这里主要关注的是heartbeat模块。
heartbeat模块由以下几个进程构成：
master进程（masterprocess）
FIFO子进程（fifochild）
read子进程（readchild）
write子进程（writechild）
在heartbeat里每一条通信通道对应于一个write子进程和一个read子进程，假设n是通信通道数，p为heartbeat模块的进程数，则p、n有以下关系：
p=2*n+2
在heartbeat里，master进程把自己的数据或者是客户端发送来的数据，通过IPC发送到write子进程，write子进程把数据发送到网络；同时read子进程从网络读取数据，通过IPC发送到master进程，由master进程处理或者由master进程转发给其客户端处理。
Heartbeat启动的时候，由master进程来启动FIFO子进程、write子进程和read子进程，最后再启动client进程。
5可靠消息通信

Heartbeat通过插件技术实现了集群间的串口、多播、广播和组播通信，在配置的时候可以根据通信媒介选择采用的通信协议，heartbeat启动的时候检查这些媒介是否存在，如果存在则加载相应的通信模块。这样开发人员可以很方便地添加新的通信模块，比如添加红外线通信模块。
对于高可用集群系统，如果集群间的通信不可靠，那么很明显集群本身也不可靠。Heartbeat采用UDP协议和串口进行通信，它们本身是不可靠的，可靠性必须由上层应用来提供。那么怎样保证消息传递的可靠性呢？
Heartbeat通过冗余通信通道和消息重传机制来保证通信的可靠性。Heartbeat检测主通信链路工作状态的同时也检测备用通信链路状态，并把这一状态报告给系统管理员，这样可以大大减少因为多重失效引起的集群故障不能恢复。例如，某个工作人员不小心拨下了一个备份通信链路，一两个月以后主通信链路也失效了，系统就不能再进行通信了。通过报告备份通信链路的工作状态和主通信链路的状态，可以完全避免这种情况。因为这样在主通信链路失效以前，就可以检测到备份工作链路失效，从而在主通信链路失效前修复备份通信链路。
Heartbeat通过实现不同的通信子系统，从而避免了某一通信子系统失效而引起的通信失效。最典型的就是采用以太网和串口相结合的通信方式。这被认为是当前的最好实践，有几个理由可以使我们选择采用串口通信：
（1）IP通信子系统的失效不太可能影响到串口子系统。
（2）串口不需要复杂的外部设备和电源。
（3）串口设备简单，在实践中非常可靠。
（4）串口可以非常容易地专用于集群通信。
（5）串口的直连线因为偶然性掉线事件很少。
不管是采用串口还是以太网IP协议进行通信，heartbeat都实现了一套消息重传协议，保证消息包的可靠传递。实现消息包重传有两种协议，一种是发送者发起，另一种是接收者发起。
对于发送者发起协议，一般情况下接收者会发送一个消息包的确认。发送者维护一个计时器，并在计时器到时的时候重传那些还没有收到确认的消息包。这种方法容易引起发送者溢出，因为每一台机器的每一个消息包都需要确认，使得要发送的消息包成倍增长。这种现像被称为发送者（或者ACK）内爆（implosion）。
对于接收者发起协议，采用这种协议通信双方的接收者通过序列号负责进行错误检测。当检测到消息包丢失时，接收者请求发送者重传消息包。采用这种方法，如果消息包没有被送达任何一个接收者，那么发送者容易因NACK溢出，因为每个接收者都会向发送者发送一个重传请求，这会引起发送者的负载过高。这种现像被称为NACK内爆（implosion）。
Heartbeat实现的是接收者发起协议的一个变种，它采用计时器来限制过多的重传，在计时器时间内限制接收者请求重传消息包的次数，这样发送者重传消息包的次数也被相应的限制了，从而严格的限制了NACK内爆。

6可靠消息通信的实现

一般集群通信有两类消息包，一类是心跳消息包，这类消息包通告集群内节点的存活情况；另一类是控制消息包，这类消息包负责集群的节点和资源管理。heartbeat把心跳消息包看成是控制消息包的一个特例，采用相同的通信通道进行发送，这使得协议的实现简单化，而且很有效，并把相应的代码限制在几百行之内。
在heartbeat里，一切流向网络的数据都由master进程发送到write子进程进行发送。master进程调用send_cluster_msg()函数把消息发送到所有的write子进程。下面通过一些代码片段看看heartbeat是怎么发送消息的。在介绍代码之前先介绍相关的重要数据结构
Heartbeat的消息包数据结构structha_msg{intnfields;/*消息包数据域的个数*/intnalloc;/*己分配的内存块个数*/char**names;/*消息包数据域的名称*/size_t*nlens;/*各个数据域称的长度*/void**values;/*与数据域名称对应的数据值*/size_t*vlens;/*各个数据域对应的数据值的长度*/int*types;/*消息包的类型*/};
Heartbeat的历史消息队列structmsg_xmit_hist{structha_msg*msgq[MAXMSGHIST];/*历史消息队列*/seqno_tseqnos[MAXMSGHIST];/*历史消息序列号*/longclock_tlastrexmit[MAXMSGHIST];/*上一次重传的时间*/intlastmsg;/*上一次重传到的消息序列号*/seqno_thiseq;/*最大消息序列号*/seqno_tlowseq;/*最小消息序列号*/seqno_tackseq;/*确认了的消息序列号*/structnode_info*lowest_acknode;/*确认的节点*/};
代码所属文件heartbeat/heartbeat.c
intsend_cluster_msg(structha_msg*msg){...pid_tourpid=getpid();...
if(ourpid==processes[0]){/*来自master进程的消息*//*添加控制信息，包括源节点名，源节点全局标识符，序列号，代数，时间等*/if((msg=add_control_msg_fields(msg))!=NULL){/*可靠的多播消息包传递*/rc=process_outbound_packet(&msghist,msg);}}else{/*来自client进程的消息*/intffd=-1;char*smsg=NULL;
...
/*发送到FIFO进程*/
if((smsg=msg2wirefmt_noac(msg,&len))==NULL){...}elseif((ffd=open(FIFONAME,O_WRONLY|O_APPEND))nodename)==0);
/*把消息转换成字符串*/smsg=msg2wirefmt(msg,&len);
...
if(cseq!=NULL){/*存放到历史消息队列里，通过序列号记录，如果需要，则进行重传*/add2_xmit_hist(hist,msg,seqno);}
...
/*通过write子进程发送到所有的网络接口上*/send_to_all_media(smsg,len);
...
returnHA_OK;}
add2_xmit_hist()函数把发送的消息发到一个历史消息队列里去，队列的最大长度为200。如果接收者请求重传消息，发送者通过序列号在该队列里查找要重传的消息，如果找到则进行重传。下面是相关代码。
staticvoidadd2_xmit_hist(structmsg_xmit_hist*hist,structha_msg*msg,seqno_tseq){intslot;structha_msg*slotmsg;
...
/*查找队列里消息存放的位置*/slot=hist->lastmsg+1;if(slot>=MAXMSGHIST){/*到达队尾，从头开始。在这里实现循环队列*/slot=0;}
hist->hiseq=seq;slotmsg=hist->msgq[slot];
/*删除队列中找到的位置上的旧消息*/if(slotmsg!=NULL){hist->lowseq=hist->seqnos[slot];hist->msgq[slot]=NULL;if(!ha_is_allocated(slotmsg)){...}else{ha_msg_del(slotmsg);}}
hist->msgq[slot]=msg;hist->seqnos[slot]=seq;hist->lastrexmit[slot]=0L;hist->lastmsg=slot;
if(enable_flow_control&&live_node_count>1&&(hist->hiseq–hist->lowseq)>((MAXMSGHIST*3)/4)){/*消息队列长度大于告警长度，记录日志*/...}if(enable_flow_control&&hist->hiseq–hist->ackseq>FLOWCONTROL_LIMIT){/*消息队列的长度大于流控限制长度*/if(live_node_counthiseq–(FLOWCONTROL_LIMIT–1));all_clients_resume();}else{/*client进程发送消息过快，暂停所有的client进程*/all_clients_pause();hist_display(hist);}}
}
当发送者收到接收者的重传请求后，通过回调函数HBDoMsg_T_REXMIT()函数调用process_rexmit()函数进行消息重传。
#defineMAX_REXMIT_BATCH50/*每次最多重传的消息包数*/
staticvoidprocess_rexmit(structmsg_xmit_hist*hist,structha_msg*msg){constchar*cfseq;constchar*clseq;seqno_tfseq=0;seqno_tlseq=0;seqno_tthisseq;intfirstslot=hist->lastmsg–1;intrexmit_pkt_count=0;constchar*fromnodename=ha_msg_value(msg,F_ORIG);structnode_info*fromnode=NULL;
...
/*取得要重传的消息包的起始序列号*/if((cfseq=ha_msg_value(msg,F_FIRSTSEQ))==NULL||(clseq=ha_msg_value(msg,F_LASTSEQ))==NULL||(fseq=atoi(cfseq))lseq){/*无效序列号，记录日志信息*/...}
...
/*重传丢失的消息包*/for(thisseq=fseq;thisseqtrack.ackseq){/*该消息包已经被确认过，可以忽略掉*/continue;}if(thisseqlowseq){/*序列号小于消息队列里的最小序列号，该消息己不存在于历史消息队列中*//*告知对方，不重传该消息*/nak_rexmit(hist,thisseq,fromnodename,“seqnotoolow”);continue;}if(thisseq>hist->hiseq){/*序列号大于消息队列中最大序列号*/...continue;}
for(msgslot=firstslot;!foundit&&msgslot!=(firstslot+1);--msgslot){char*smsg;longclock_tnow=time_longclock();longclock_tlast_rexmit;size_tlen;
...
/*重传上一次重传剩下的消息包*/last_rexmit=hist->lastrexmit[msgslot];
if(cmp_longclock(last_rexmit,zero_longclock)!=0&&longclockto_ms(sub_longclock(now,last_rexmit))<(ACCEPT_REXMIT_REQ_MS)){gotoNextReXmit;}
/*一次不能发送太多数据包，如果数据包太多的话，可能会引起串口溢出*/++rexm

 

更多详见LVS中文站点：http://zh.linuxvirtualserver.org/