组通信在高可靠服务集群中的应用

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摘要：摘要：组通信是构造高可靠分布式系统的重要基石。以组通信技术为基础，提出了基于Internet的多媒体考试系统平台中集群管理器的结构和设计，详细描述了实现中所采用的可靠全序组播算法、组成员管理、流量控制算法、负载平衡及失效转发算法。 引言 []当前，企

　　摘要：组通信是构造高可靠分布式系统的重要基石。以组通信技术为基础，提出了基于Internet的多媒体考试系统平台中集群管理器的结构和设计，详细描述了实现中所采用的可靠全序组播算法、组成员管理、流量控制算法、负载平衡及失效转发算法。

　　引言

　　[]当前，企业级的计算系统应用日益广泛，而高可用性、高容错性和高可靠性是这些企业级的关键性应用所必须具有的特性，使用集中式的服务架构将无法满足这些需求。

　　近十年来，组通信（Group Communication）[1][2][3]领域的研究取得重大进展，对于可靠组播、消息排序、失效检测等关键性问题都已提出了不少解决方法。一些操作系统[4]和数据库系统[5]都已经使用组通信技术来构造集群系统。

　　本文以我们开发的基于Internet的多媒体考试系统平台作为实例，具体描述了将组通信技术应用于构造服务集群系统的方法。

　　系统需求和体系结构

　　基于Internet的多媒体考试系统平台提供从题库系统、成卷系统、考试规划一直到计算机考试、自动阅卷、答卷信息评价的全线服务，自动化程度高，实现了考试的完全无纸化。它对于系统的性能提出了以下需求：

　　高扩展性：由于可以通过Internet进行考试，考生人数不受局域网计算机数的限制，因此要求系统必须能够承受大量考生同时参加多门课程的考试，而不会产生性能瓶颈。

　　高可靠性：考试信息、试题、考生答案等重要数据不能丢失。

　　高可用性：当系统出现故障时，应该在限定时间内（秒级）自动恢复，不影响考试的进行。

　　为了满足以上需求，我们基于组通信技术将系统设计为一个集群结构，其包含多个考试服务器，客户端通过负载平衡技术选择一个服务器进行通信，当连接的服务器失效后，客户端可以重新连接到其他服务器，继续进行相关的操作而考试不受影响，这一过程对于用户（考生）是透明的。

　　每个服务器结点主要由web服务、集群管理器（Cluster Manager，CM）、考试服务器(Exam Server，ES)和数据库服务器四种服务组成，其中CM主要负责使用组通信协议和其它结点的CM进行可靠通信以实现状态复制，ES和数据库服务器进行交互，具体实现应用逻辑如登陆、交卷、查询等。

　　集群管理器CM主要包括以下处理模块：

　　可靠全序组播：由于一个节点的消息要发送给集群内所有其他节点，为了使节点之间进行高效的消息传输，采用组播（multicast）方式，实现一对多通信。但是其缺陷是不能保证消息的可靠传递，此外为了保证各节点的状态一致，使各个节点按照相同的顺序接收消息也很重要（即全序，Total order）。可靠全序组播模块就是要保证节点之间使用IP multicast达到消息的可靠、全序传递的目的。

　　组成员管理：将集群内的服务节点有机组织起来，负责节点的加入、离开和失效的处理，保证所有生存的节点保持相同的组成员视图。

　　流量控制：如果一个结点由于不能及时处理接收的消息而导致其缓冲区溢出，从而引起大量消息重传。为此采用流量控制机制控制消息的发送速率，以达到流控的目的。

　　可靠全序组播

　　每个结点都各自维护着一个本地消息计数器，作为发送的消息的顺序号，称为结点顺序号。当某个结点要向全组的结点发送消息m时，给m设置结点顺序号，然后将m发送给集群内一个称为sequencer的结点S（sequencer的产生见下一节）。S还维护着一个全局消息计数器，称为全局顺序号。S每收到一个消息，就给消息设置全局顺序号，再将消息放入它的发送队列。一个线程负责将发送队列中的消息依次按照一定速率在网络中组播。

　　发送结点将消息m发送给S后，以组播形式接收，如果接收到m，则说明m已经可靠到达S，可以继续发送下一个消息；如果在一定时间内未接收到m，则认为m丢失，重新发送m直到S接收成功为止。同时，S记录着每个结点最后发送的消息的结点顺序号，从而避免接收到重复消息。

　　所有接收结点对于S组播的消息采取负向应答方式。每个结点都记录着下一个预期接收的消息的全局顺序号Ne。当接收到全局顺序号为Nm的消息时，如果Ne＞Nm，则说明此消息是重复消息，将其丢弃；如果Ne=Nm，则将此消息放入接收队列，并且Ne加1；如果Ne＜Nm，说明有消息丢失，向S发送一个NACK应答消息，其包含全局顺序号Ne。S接收到NACK后，将从Ne到当前全局顺序号的消息放入到发送队列（去掉重复的消息）重新组播发送。由于接收者是根据新收到的消息序号来判断是否有消息丢失，当S没有消息发送时，则接收者将无法判断丢失情况。因此，当S的发送队列没有消息后，S会周期性的组播一个Declare消息，声明当前的全局顺序号，以激发丢失消息的接收者进行应答。

　　组成员管理

　　结点启动和加入

　　结点p启动后，首先周期性的组播一个Discover消息，以查找当前集群内的sequencer；如果在一定时间内（10秒）没有收到应答，则将自己设置为sequencer，初始化各种状态，建立集群并准备接受其它结点随后的加入。

　　如果集群已经存在，则当前的sequencer S接收到Discover消息后，对p进行权限验证，如果合法，则向p发送应答，然后S将当前成员列表信息和应用状态信息（如已登陆考生信息、已交卷考生信息等）发送给p，状态传输完成后，S使用可靠组播向其它所有结点发送p加入的消息。各结点都更新自己的成员列表信息。p正式加入了集群。

　　由于每时刻只能有一个结点加入，如果这时S在处理其它结点的加入，S向p发送Waiting消息，p等待一段时间后重新再加入。

　　如果这时恰好S失效（见下文），则集群内的结点向p发送Waiting消息，p等待一段时间后重新再加入。

　　结点离开

　　如果结点p要离开集群，则向sequencer S发送Leave消息，S接收到后，使用可靠组播向其它所有结点发送p离开的消息。各结点都更新自己的成员列表信息。然后S向p发送应答，同意其离开，p正式离开集群。

　　如果这时S恰好失效，则p将等到新的sequencer产生后再重新发送Leave消息。在p正式离开之前，它仍是集群内的成员。

　　流量控制

　　集群系统不但要保证所有成员节点具有一致的正确状态，而且要具有良好的性能。

　　方法是：在sequencer发送每个消息时引入一个可变的延迟时间T。T的初值为0，这时sequencer发送消息而没有延迟；每当sequencer接收到一个NACK的应答时，T增加2ms，当T增加到30ms时，将不再增加；每当sequencer连续发送30个消息而没有收到NACK并且T>0时，则T减小3ms（当T<0，则T＝0）。这样延迟时间缓慢上升，而下降较快，以便系统尽力保持较好的性能。

　　负载平衡和失效转发

　　我们采取在客户端进行负载平衡。具体过程如下：

　　首先浏览器下载ActiveX客户端后，客户端执行，其首先向下载服务器的CM发出请求，CM将当前集群内各成员结点的相关信息和一个称为视图id的值返回给客户端，然后客户端采取具体的负载平衡算法如随机法、轮流法等选择一个服务结点，请求其服务。这样不同客户端的请求可以由集群内各结点分担处理。当连接的服务结点不可用时，客户端重新选择一个服务结点就可以继续运行。

　　由于集群内的结点可以动态加入、退出或者失效，因此客户端所保存的成员结点的信息可能不准确，对于这个问题我们的解决方法是：客户端初始从下载服务器的CM得到了一个视图id，以后每次客户端向服务器发出的请求都包括该视图id，服务器检查该视图id是否与自己的视图id相等，如果不等则说明客户端的成员结点的信息已经过时，于是向客户端发送目前最新的成员结点信息和新的视图id。

　　结论

　　本文详细说明了我们采用的可靠全序组播算法、组成员管理、流量控制算法、负载平衡和失效转发机制。具有较高的性能。

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