Heartbeat的可靠消息通信实现过程分析

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www.linux-ha.org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 – 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–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（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）。