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。

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