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分布集群

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、...)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:

_static/images/clustering_1.png

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 [email protected]
erl -name [email protected]
erl -name [email protected]
erl -name [email protected]

[email protected] 控制台下建立与其他节点的连接:

([email protected])1> net_kernel:connect_node('[email protected]').
true
([email protected])2> net_kernel:connect_node('[email protected]').
true
([email protected])3> net_kernel:connect_node('[email protected]').
true
([email protected])4> nodes().
['[email protected]','[email protected]','[email protected]']

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:

([email protected])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 X 支持在 etc/emqx.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 X 分布集群设计

EMQ X 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:

  1. 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。
  2. 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 X 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 X 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):

_static/images/clustering_2.png

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]

./_static/images/design_9.png

手动配置管理集群

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

节点名 主机名(FQDN) IP 地址
[email protected] 或 [email protected] s1.emqx.io 192.168.0.10
[email protected] 或 [email protected] s2.emqx.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)

[email protected] 节点设置

emqx/etc/emqx.conf:

node.name = [email protected]

或

node.name = [email protected]

也可通过环境变量:

export [email protected] && ./bin/emqx start

Warning

节点启动加入集群后，节点名称不能变更。

[email protected] 节点设置

emqx/etc/emqx.conf:

node.name = [email protected]

或

node.name = [email protected]

节点加入集群

启动两台节点后，[email protected] 上执行:

$ ./bin/emqx_ctl cluster join [email protected]

Join the cluster successfully.
Cluster status: [{running_nodes,['[email protected]','[email protected]']}]

或，[email protected] 上执行:

$ ./bin/emqx_ctl cluster join [email protected]

Join the cluster successfully.
Cluster status: [{running_nodes,['[email protected]','[email protected]']}]

任意节点上查询集群状态:

$ ./bin/emqx_ctl cluster status

Cluster status: [{running_nodes,['[email protected]','[email protected]']}]

节点退出集群

节点退出集群，两种方式:

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

[email protected] 主动退出集群:

$ ./bin/emqx_ctl cluster leave

或 [email protected] 节点上，从集群删除 [email protected] 节点:

$ ./bin/emqx_ctl cluster force-leave [email protected]

节点发现与自动集群

EMQ X 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 X 支持多种策略创建集群:

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

manual 手动创建集群

默认配置为手动创建集群，节点通过 ./bin/emqx_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.static.seeds = [email protected],[email protected]

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.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.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.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.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 X 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:

  1. 节点收到 Mnesia 的 inconsistent_database 事件3秒后进行集群脑裂确认；
  2. 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；
  3. 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)；
  4. Leader 节点在多数派(majority)分区选择集群自愈的 Coordinator 节点；
  5. 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 X 支持从集群自动删除宕机节点(Autoclean):

cluster.autoclean = 5m

跨节点会话(Session)

EMQ X 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:

_static/images/10_3.png

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 X 需要配置相同的端口段，emqx/etc/emqx.conf 文件:

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