Heartbeat的可靠消息通信实现过程分析

zt371 发布于 2009/05/07 14:16
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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。这篇文章描述了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。
关键词:集群通信 高可用集群 Linux Heartbeat 引言
Heartbeat是Linux-HA工程的一个组件,自1999年开始到现在,发布了众多版本,是目前开源Linux-HA项目最成功的一个例子,在行业内得到了广泛的应用,这里分析的是2007年1月18日发布的版本2.0.8,可以从Linux-HA的官方网站www.linux-ha.org下载到最新版本。
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。
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。
Heartbeat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
Stonith Daemon - 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(master process)
FIFO子进程(fifo child)
read子进程(read child)
write子进程(write child)
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。这几个进程间的数据流如图一:
图一:heartbeat模块进程间的数据流
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。
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,可心完全避免这种情况。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。
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
struct ha_msg { int nfields; /*消息包数据域的个数*/ int nalloc; /*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
struct msg_xmit_hist { struct ha_msg *msgq[MAXMSGHIST]; /*历史消息队列*/ seqno_t seqnos[MAXMSGHIST]; /*历史消息序列号*/ longclock_t lastrexmit[MAXMSGHIST]; /*上一次重传的时间*/ int lastmsg; /*上一次重传到的消息序列号*/ seqno_t hiseq; /*最大消息序列号*/ seqno_t lowseq; /*最小消息序列号*/ seqno_t ackseq; /*确认了的消息序列号*/ struct node_info *lowest_acknode; /*确认的节点*/ }; 代码所属文件heartbeat/heartbeat.c int send_cluster_msg(struct ha_msg *msg) { ... pid_t ourpid = 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*/ int ffd = -1; char *smsg = NULL; ... /*发送到FIFO进程*/ if ((smsg = msg2wirefmt_noac(msg, &len)) == NULL) { ... } else if ((ffd = open(FIFONAME, O_WRONLY | O_APPEND)) < 0) { ... } else if ((writerc = write(ffd, smsg, len – 1)) != (ssize_t)(len-1)) { ... } } }
Heartbeat在process_outbound_packet()函数里实现了一个可靠的多播协议,它利用一个循环队列来存放历史消息,对于带有序列号的心跳消息,先存放到历史消息队列里然后发送,接收者可以请求发送传重传该消息,对于不带序列号的控制消息,不会进行重传。下面是这个函数的实现代码。
static int process_outbound_packet(struct msg_xmit_hist *hist, 
struct ha_msg *msg)
{
...
const char *cseq;
seqno_t seqno = -1;
const char *to;
int IsToUs;
size_t len;
...

if ((type = ha_msg_value(msg, F_TYPE)) == NULL) {
...
return HA_FAIL;
}

if ((cseq = ha_msg_value(msg, F_SEQ)) != NULL) {
if (sscanf(cseq, “%lx”, &seqno) != 1 || seqno <= 0) {
...
return HA_FAIL;
}
}

to = ha_msg_value(msg, F_TO);
IsToUs = (to != NULL) && (strcmp(to, curnode->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);

...

return HA_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。
static void add2_xmit_hist (struct msg_xmit_hist *hist, struct ha_msg *msg,
seqno_t seq)
{
int slot;
struct ha_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_count < 2) {
/*集群里只有本机节点为存活节点,更新历史消息队列,删除旧消息,
以防止历史消息队列满*/ update_ackseq(hist->hiseq – (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。
#define MAX_REXMIT_BATCH 50 /*每次最多重传的消息包数*/

static void process_rexmit(struct msg_xmit_hist *hist, struct ha_msg *msg)
{
const char *cfseq;
const char *clseq;
seqno_t fseq = 0;
seqno_t lseq = 0;
seqno_t thisseq;
int firstslot = hist->lastmsg – 1;
int rexmit_pkt_count = 0;
const char *fromnodename = ha_msg_value(msg, F_ORIG);
struct node_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)) <= 0 || (lseq = atoi(clseq)) <= 0 || fseq > lseq) {
/*无效序列号,记录日志信息*/
...
}

...

/*重传丢失的消息包*/
for (thisseq = fseq; thisseq <= lseq; ++thisseq) {
int msgslot;
int foundit = 0;

if (thisseq <= fromnode->track.ackseq) {
/*该消息包已经被确认过,可以忽略掉*/
continue;
}
if (thisseq <= hist->lowseq) {
/*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, “seqno too low”);
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_t now = time_longclock();
longclock_t last_rexmit;
size_t len;

...

/*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)) {
goto NextReXmit;
}

/*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
(T002)

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