分布集群(Cluster)

分布集群(Cluster)

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、…)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:

---------         ---------
| Node1 | --------| Node2 |
---------         ---------
    |     \     /    |
    |       \ /      |
    |       / \      |
    |     /     \    |
---------         ---------
| Node3 | --------| Node4 |
---------         ---------

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']

epmd

epmd(Erlang Port Mapper Daemon) - Erlang端口映射服务程序，在Erlang节点运行主机上自启动，负责映射节点名称到通信TCP端口号:

(node1@127.0.0.1)6> net_adm:names().
{ok,[{"node1",62740},
     {"node2",62746},
     {"node3",62877},
     {"node4",62895}]}

安全

Erlang节点间通过一个相同的cookie进行互连认证。

Erlang节点Cookie设置:

1. $HOME/.erlang.cookie文件
2. erl -setcookie <Cookie>

本节内容来自: http://erlang.org/doc/reference_manual/distributed.html

emqttd分布集群设计

emqttd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。

emqttd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)

emqttd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):

--------------------------
|             t          |
|            / \         |
|           +   #        |
|         /  \           |
|       x      y         |
--------------------------
| t/+/x -> node1, node3  |
| t/+/y -> node1         |
| t/#   -> node2         |
| t/a   -> node3         |
--------------------------

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/#]
node1-->node3: Route[t/a]
node2-->client2: Deliver[t/#]
node3-->client3: Deliver[t/a]

emqttd集群设置管理

假设部署两台服务器s1.emqtt.io, s2.emqtt.io上部署集群:

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

Warning

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

emqttd@s1.emqtt.io节点设置

emqttd/etc/vm.args:

-name emqttd@s1.emqtt.io
或
-name emqttd@192.168.0.10

Warning

节点启动加入集群后，节点名称不能变更。

emqttd@s2.emqtt.io节点设置

emqttd/etc/vm.args:

-name emqttd@s2.emqtt.io
或
-name emqttd@192.168.0.20

节点加入集群

启动两台节点后，emqttd@s2.emqtt.io上执行:

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

或，emqttd@s1.emqtt.io上执行:

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

任意节点上查询集群状态:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster status
Cluster status: [{running_nodes,['emqttd@s1.emqtt.io','emqttd@s2.emqtt.io']}]

节点退出集群

节点退出集群，两种方式:

leave: 本节点退出集群
remove: 从集群删除其他节点

emqttd@s2.emqtt.io主动退出集群:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster leave

或emqttd@s1.emqtt.io节点上，从集群删除emqttd@s2.emqtt.io节点:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster remove emqttd@s2.emqtt.io

跨节点会话(Session)

emqttd消息服务器集群模式下，MQTT连接的持久会话(Session)跨节点。

例如负载均衡的两台集群节点:node1与node2，同一MQTT客户端先连接node1，node1节点会创建持久会话；客户端断线重连到node2时，MQTT的连接在node2节点，持久会话仍在node1节点:

                                 node1
                              -----------
                          |-->| session |
                          |   -----------
            node2         |
         --------------   |
client-->| connection |<--|
         --------------

防火墙设置

如果集群节点间存在防火墙，防火墙需要开启4369端口和一个TCP端口段。4369由epmd端口映射服务使用，TCP端口段用于节点间建立连接与通信。

防火墙设置后，emqttd需要配置相同的端口段，etc/emqttd.config文件:

[{kernel, [
    ...
    {inet_dist_listen_min, 20000},
    {inet_dist_listen_max, 21000}
 ]},
 ...

注意事项: NetSplit

emqttd消息服务器集群需要稳定网络连接以避免发生NetSplit故障。集群设计上默认不自动处理NetSplit，如集群节点间发生NetSplit，需手工重启某个分片上的相关节点。

Note

NetSplit是指节点运行正常但因网络断开互相认为对方宕机。

一致性Hash与DHT

NoSQL数据库领域分布式设计，大多会采用一致性Hash或DHT。emqttd消息服务器集群架构可支持千万级的路由，更大级别的集群可采用一致性Hash、DHT或Shard方式切分路由表。