分布式集群

分布式集群

Erlang/OTP 分布式编程

Erlang/OTP 最初是爱立信为开发电信设备系统设计的编程语言平台，电信设备(路由器、接入网关等)典型设计是通过背板连接主控板卡与多块业务板卡的分布式系统。

Erlang/OTP 语言平台的分布式程序，由分布互联的 Erlang 运行系统组成，每个 Erlang 运行系统被称为节点(Node)，节点(Node) 间通过 TCP 互联，消息传递的方式通信:

节点(Node)

Erlang 节点由唯一的节点名称标识，节点间通过名称进行通信寻址。例如在本机启动四个 Erlang 节点，节点名称分别为:

erl -name node1@127.0.0.1
erl -name node2@127.0.0.1
erl -name node3@127.0.0.1
erl -name node4@127.0.0.1

node1@127.0.0.1 控制台下建立与其他节点的连接:

(node1@127.0.0.1)1> net_kernel:connect_node('node2@127.0.0.1').
true
(node1@127.0.0.1)2> net_kernel:connect_node('node3@127.0.0.1').
true
(node1@127.0.0.1)3> net_kernel:connect_node('node4@127.0.0.1').
true
(node1@127.0.0.1)4> nodes().
['node2@127.0.0.1','node3@127.0.0.1','node4@127.0.0.1']

EMQX 分布集群设计

EMQX 消息服务器集群基于 Erlang/OTP 分布式设计，集群原理可简述为下述两条规则:

MQTT 客户端订阅主题时，所在节点订阅成功后广播通知其他节点：某个主题(Topic)被本节点订阅。

MQTT 客户端发布消息时，所在节点会根据消息主题(Topic)，检索订阅并路由消息到相关节点。

EMQX 消息服务器同一集群的所有节点，都会复制一份主题(Topic) -> 节点(Node)映射的路由表，例如:

topic1 -> node1, node2
topic2 -> node3
topic3 -> node2, node4

主题树(Topic Trie)与路由表(Route Table)

EMQX 消息服务器每个集群节点，都保存一份主题树(Topic Trie)和路由表。

例如下述主题订阅关系:

客户端	节点	订阅主题
client1	node1	t/+/x, t/+/y
client2	node2	t/#
client3	node3	t/+/x, t/a

最终会生成如下主题树(Topic Trie)和路由表(Route Table):

订阅(Subscription)与消息派发

客户端的主题订阅(Subscription)关系，只保存在客户端所在节点，用于本节点内派发消息到客户端。

例如client1向主题’t/a’发布消息，消息在节点间的路由与派发流程:

title: Message Route and Deliver
client1 -> node1: Publish[t/a]
    node1 --> node2: Route[t/#]
        node2 --> client2: Deliver[t/#]
    node1 --> node3: Route[t/a]
        node3 --> client3: Deliver[t/a]

节点发现与自动集群

EMQX 支持基于 Ekka 库的集群自动发现 (Autocluster)。Ekka 是为 Erlang/OTP 应用开发的集群管理库，支持 Erlang 节点自动发现 (Service Discovery)、自动集群 (Autocluster)、网络分区自动愈合 (Network Partition Autoheal)、自动删除宕机节点 (Autoclean)。

EMQX 支持多种节点发现策略:

策略	说明
manual	手动命令创建集群
static	静态节点列表自动集群
mcast	UDP 组播方式自动集群
dns	DNS A 记录自动集群
etcd	通过 etcd 自动集群
k8s	Kubernetes 服务自动集群

手动(manual) 方式管理集群介绍

假设要在两台服务器 s1.emqx.io, s2.emqx.io 上部署 EMQX 集群:

节点名	主机名 (FQDN)	IP 地址
emqx@s1.emqx.io 或 emqx@192.168.0.10	s1.emqx.io	192.168.0.10
emqx@s2.emqx.io 或 emqx@192.168.0.20	s2.emqx.io	192.168.0.20

注意： 节点名格式为 Name@Host, Host 必须是 IP 地址或 FQDN (主机名。域名)

配置 emqx@s1.emqx.io 节点

emqx/etc/emqx.conf:

node.name = emqx@s1.emqx.io
# 或
node.name = emqx@192.168.0.10

也可通过环境变量:

export EMQX_NODE_NAME=emqx@s1.emqx.io && ./bin/emqx start

注意: 节点启动加入集群后，节点名称不能变更。

配置 emqx@s2.emqx.io 节点

emqx/etc/emqx.conf:

node.name = emqx@s2.emqx.io
# 或
node.name = emqx@192.168.0.20

节点加入集群

启动两台节点后，在 s2.emqx.io 上执行:

$ ./bin/emqx_ctl cluster join emqx@s1.emqx.io
Join the cluster successfully.
Cluster status: [{running_nodes,['emqx@s1.emqx.io','emqx@s2.emqx.io']}]

注意: s2.emqx.io加入集群后会清除本身全部的数据，同步s1.emqx.io节点的数据。如果还有s3.emqx.io节点，那么需要在s3.emqx.io节点去执行命令加入emqx@s1.emqx.io或者emqx@s2.emqx.io，已经在集群的节点不能在join到其他节点，否则会退出当前集群和join的节点组成一个新的集群

在任意节点上查询集群状态:

$ ./bin/emqx_ctl cluster status
Cluster status: [{running_nodes,['emqx@s1.emqx.io','emqx@s2.emqx.io']}]

退出集群

节点退出集群，两种方式:

leave: 让本节点退出集群
force-leave: 从集群删除其他节点

让 emqx@s2.emqx.io 主动退出集群:

$ ./bin/emqx_ctl cluster leave

或在 s1.emqx.io 上，从集群删除 emqx@s2.emqx.io 节点:

$ ./bin/emqx_ctl cluster force-leave emqx@s2.emqx.io

单机伪分布式

对于只有个人电脑或者一台服务器的用户来说，可以使用伪分布式集群。请注意，我们若要在单机上启动两个或多个 emqx 实例，为避免端口冲突，我们需要对其它节点的监听端口做出调整。

基本思路是复制一份 emqx 文件夹然后命名为 emqx2 ，将原先所有 emqx 节点监听的端口 port 加上一个偏移 offset 作为新的 emqx2 节点的监听端口。例如，将原先 emqx 的MQTT/TCP 监听端口由默认的 1883 改为了 2883 作为 emqx2 的 MQTT/TCP 监听端口。完成以上操作的自动化脚本可以参照集群脚本 (opens new window)，具体配置请参见配置说明与配置项。

防火墙设置

集群节点发现端口

若预先设置了环境变量 WITH_EPMD=1, 启动 emqx 时会使用启动 epmd (监听端口 4369) 做节点发现。称为 epmd 模式。

若环境变量 WITH_EPMD 没有设置，则启动 emqx 时不启用 epmd，而使用 emqx ekka 的节点发现，这也是 4.0 之后的默认节点发现方式。称为 ekka 模式。

epmd 模式：

如果集群节点间存在防火墙，防火墙需要为每个节点开通 TCP 4369 端口，用来让各节点能互相访问。

防火墙还需要开通一个 TCP 从 node.dist_listen_min(包含) 到 node.dist_listen_max(包含) 的端口段，这两个配置的默认值都是 6369。

ekka 模式（4.0 版本之后的默认模式）：

跟empd 模式不同，在ekka 模式下，集群发现端口的映射关系是约定好的，而不是动态的。 node.dist_listen_min and node.dist_listen_max 两个配置在ekka 模式下不起作用。

如果集群节点间存在防火墙，防火墙需要放开这个约定的端口。约定端口的规则如下：

ListeningPort = BasePort + Offset

其中 BasePort 为 4370 (不可配置), Offset 为节点名的数字后缀. 如果节点名没有数字后缀的话， Offsset 为 0。

举例来说, 如果 emqx.conf 里配置了节点名：node.name = emqx@192.168.0.12，那么监听端口为 4370，但对于 emqx1 (或者 emqx-1) 端口就是 4371，以此类推。

The Cluster RPC Port

每个节点还需要监听一个 RPC 端口，也需要被防火墙也放开。跟上面说的ekka 模式下的集群发现端口一样，这个 RPC 端口也是约定式的。

RPC 端口的规则跟ekka 模式下的集群发现端口类似，只不过 BasePort = 5370。

就是说，如果 emqx.conf 里配置了节点名：node.name = emqx@192.168.0.12，那么监听端口为 5370，但对于 emqx1 (或者 emqx-1) 端口就是 5371，以此类推。