分布集群 (Clustering)

分布集群 (Clustering)

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

连接

Erlang 集群节点可通过 TCPv4, TCPv6 或 TLS 方式连接，EMQ 2.3.5+ 版本支持在`etc/emq.conf` 中配置连接方式:

## Specify the erlang distributed protocol.
##
## Value: Enum
##  - inet_tcp: the default; handles TCP streams with IPv4 addressing.
##  - inet6_tcp: handles TCP with IPv6 addressing.
##  - inet_tls: using TLS for Erlang Distribution.
##
## vm.args: -proto_dist inet_tcp
node.proto_dist = inet_tcp
## Specify SSL Options in the file if using SSL for Erlang Distribution.
##
## Value: File
##
## vm.args: -ssl_dist_optfile <File>
## node.ssl_dist_optfile = {{ platform_etc_dir }}/ssl_dist.conf

EMQ R2 分布集群设计

EMQ 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。

EMQ 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)

EMQ 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]

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

警告

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

emq@s1.emqx.io 节点设置

emqttd/etc/emq.conf:

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

也可通过环境变量:

export EMQ_NODE_NAME=emq@s1.emqx.io && ./bin/emqttd start

警告

节点启动加入集群后，节点名称不能变更。

emq@s2.emqx.io 节点设置

emqttd/etc/emq.conf:

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

节点加入集群

启动两台节点后，emq@s2.emqx.io 上执行:

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

或，emq@s1.emqx.io 上执行:

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

任意节点上查询集群状态:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster status
Cluster status: [{running_nodes,['emq@s1.emqx.io','emq@s2.emqx.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

emq@s2.emqx.io 主动退出集群:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster leave

或 emq@s1.emqx.io 节点上，从集群删除 emq@s2.emqx.io 节点:

$ ./bin/emqttd_ctl cluster remove emq@s2.emqx.io

节点发现与自动集群

EMQ R2.3 版本支持基于 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(Discovery)、自动集群(Autocluster)、脑裂自动愈合(Network Partition Autoheal)、自动删除宕机节点(Autoclean)。

EMQ R2.3 支持多种策略自动发现节点创建集群:

策略	说明
manual	手工命令创建集群
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

manual 手动创建集群

默认配置为手动创建集群，节点通过 ./bin/emqttd_ctl join <Node> 命令加入:

cluster.discovery = manual

基于 static 节点列表自动集群

配置固定的节点列表，自动发现并创建集群:

cluster.discovery = static
##--------------------------------------------------------------------
## Cluster with static node list
cluster.static.seeds = emq1@127.0.0.1,ekka2@127.0.0.1

基于 mcast 组播自动集群

基于 UDP 组播自动发现并创建集群:

cluster.discovery = mcast
##--------------------------------------------------------------------
## Cluster with multicast
cluster.mcast.addr = 239.192.0.1
cluster.mcast.ports = 4369,4370
cluster.mcast.iface = 0.0.0.0
cluster.mcast.ttl = 255
cluster.mcast.loop = on

基于 DNS A 记录自动集群

基于 DNS A 记录自动发现并创建集群:

cluster.discovery = dns
##--------------------------------------------------------------------
## Cluster with DNS
cluster.dns.name = localhost
cluster.dns.app  = ekka

基于 etcd 自动集群

基于 etcd 自动发现并创建集群:

cluster.discovery = etcd
##--------------------------------------------------------------------
## Cluster with Etcd
cluster.etcd.server = http://127.0.0.1:2379
cluster.etcd.prefix = emqcl
cluster.etcd.node_ttl = 1m

基于 Kubernetes 自动集群

Kubernetes 下自动发现并创建集群:

cluster.discovery = k8s
##--------------------------------------------------------------------
## Cluster with k8s
cluster.k8s.apiserver = http://10.110.111.204:8080
cluster.k8s.service_name = ekka
## Address Type: ip | dns
cluster.k8s.address_type = ip
## The Erlang application name
cluster.k8s.app_name = ekka

集群脑裂与自动愈合

EMQ R2.3 版本正式支持集群脑裂自动恢复(Network Partition Autoheal):

cluster.autoheal = on

集群脑裂自动恢复流程:

节点收到 Mnesia库的 inconsistent_database 事件3秒后进行集群脑裂确认；
节点确认集群脑裂发生后，向 Leader 节点(集群中最早启动节点)上报脑裂消息；
Leader 节点延迟一段时间后，在全部节点在线状态下创建脑裂视图(SplitView)；
Leader 节点在多数派(majority)分区选择集群自愈的 Coordinator 节点；
Coordinator 节点重启少数派(minority)分区节点恢复集群。

集群节点自动清除

EMQ R2.3 版本支持从集群自动删除宕机节点(Autoclean):

cluster.autoclean = 5m

跨节点会话(Session)

EMQ 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，EMQ 需要配置相同的端口段，emqttd/etc/emq.conf 文件:

## Distributed node port range
node.dist_listen_min = 6369
node.dist_listen_max = 7369

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。EMQ 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。