zz Heartbeat的可靠消息通信实现分析

Heartbeat的可靠消息通信实现分析

广东省Linux公共服务技术支持中心
颜定成

摘要

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 C 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C包括插件接口、进程间通信等
CTS C 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 C 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 C 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 C 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 C (FLOWCONTROL_LIMIT C 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 C 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*/
++rexmit_pkt_count;
if (rexmit_pkt_count > MAX_REXMIT_BATCH) {
return;
}

/*找到要重传的消息包，进行重传*/
firstslot = msgslot C 1;
foundit = 1;

...

/*消息包转换为字符串*/
smsg = msg2wirefmt(hist->msgq[msgslot], &len);

...

if (smsg != NULL) {
hist->lastrexmit[msgslot] = now;
send_to_all_media(smsg, len);
ha_free(smsg);
}
}
if (!foundit) {
/*告知对方不重传该消息*/
nak_rexmit(hist, thisseq, fromnodename, “seqno not found”);
}
NextReXmit:
}
}

接收者在接收到消息以后，调用check_rexmit_reqs()函数检查是否需要请求发送者重传丢失的消息包，如果需要则调用request_msg_rexmit()函数请求发送者重传丢失的消息包，request_msg_rexmit()函数调用schedule_rexmit_request()来对消息包重传进行调度，限制每秒重传的消息包数。

代码所属文件heartbeat/hb_rexmit.c

static gboolean send_rexmit_request(gpointer data)
{
...
构建重传请求消息包hmsg
...

if (send_cluster_msg(hmsg) != HA_OK) {
...
return FALSE;
}

...

schedule_rexmit_request(node, seq, max_rexmit_delay);
}

static void schedule_rexmit_request(struct node_info *node, seqno_t seq,
int delay)
{
unsigned long sourceid;
struct rexmit_info * ri;

...

ri->seq = seq;
ri->node = node;

sourceid = Gmain_timeout_add_full(G_PRIORITY_HIGH C 1, delay,
send_rexmit_request, ri, NULL);

...

}

小结

通过对Heartbeat消息通信机制的分析，发现它把心跳消息看成是控制消息的一个特例，采用接收者发起的模式进行重传，来确保消息的可靠传递，同时通过计时器来限制每秒请求重传消息包的次数，从而防止发送者因为请求重传的次数过多而发生内爆，导致发送者负载过高。

参考

1、Alan Robertson: “Linux-HA Heartbeat System Design”, Proceeding of the 4th Annual Linux Showcase & Conference Atlanta, Atlanta, Georgia, USA October 10-14, 2000
2、Alex Vrenios: 《Linux集群体系结构》，马朝晖等译，机械工业出版社，2003。
3、Evan Marcus, Hal Stern: 《高可用性系统设计》，汪青青、卢祖英译，清华大学出版社，2005。