一种基于Qt的可伸缩的全异步C/S架构server实现（五) 单层无中心集群

五、单层无中心集群

对40万用户规模以内的server。使用星形的无中心连接是较为简便的实现方式。分布在各个物理server上的服务进程共同工作。每一个进程承担若干连接。为了实现这个功能，须要解决几个关键问题。

5.1、跨server传输通道

设计在快速局域网中的连接可直接採用TCP，并用第二章介绍的网络传输工具、第三章介绍的流水线线程池共同搭建。引用上述两个工具的代码在cluster子目录的 zp_clusterterm.h中定义：

ZPNetwork::zp_net_Engine * m_pClusterNet;
ZPTaskEngine::zp_pipeline * m_pClusterEng;

server在专用的集群网络中监听。须要參数例如以下：

1、监听的地址、port

2、本节点唯一名称

3、对server集群内其它节点公布的连接port、地址

4、对公网client公布的连接port、地址。

比方，server快速局域网网段可能是 10.129.XX.XX，而有些server可能以虚拟机(192.168.11.XX)+NAT(10.129.XX.XX)的方式在内网的子网中映射，因此。须要告诉别的server节点，怎样连接到自己。

同一时候。对公网client来说。每一个server的连接地址又不同了。非常有可能也是通过NAT的方式，把数十个内网IP映射到一个外网出口的连续port上去。这个策略的配置页面例如以下：



集群的连接策略是，新的server进程选取随意一个现有节点，连接后。通过集群内广播系统自己主动接收其他各个节点的地址。并继续发起连接，直到与现有节点两两相通为止。

为了支持这个策略，集群传输须要定义一些指令。

5.1.1 集群指令

集群指令在 cluster 目录的cross_svr_message.h 定义:

#ifndef CROSS_SVR_MESSAGES_H
#define CROSS_SVR_MESSAGES_H
#include <qglobal.h>
namespace ZP_Cluster{
#pragma  pack (push,1)
typedef struct tag_cross_svr_message{
struct tag_header{
quint16 Mark;    //Always be 0x1234
quint8 messagetype;
quint32 data_length;
}  hearder;
union uni_payload{
quint8 data[1];
struct tag_CSM_heartBeating{
quint32 nClients;
} heartBeating;
struct tag_CSM_BasicInfo{
quint8 name [64];
quint8 Address_LAN[64];
quint16 port_LAN;
quint8 Address_Pub[64];
quint16 port_Pub;
} basicInfo;
struct tag_CSM_Broadcast{
quint8 name [64];
quint8 Address_LAN[64];
quint16 port_LAN;
quint8 Address_Pub[64];
quint16 port_Pub;
} broadcastMsg[1];
} payload;
} CROSS_SVR_MSG;

#pragma pack(pop)
}

#endif // CROSS_SVR_MESSAGES_H

指令由头部、载荷两部分组成。

头部header说明：

Mark是一个固定的起始，用于验证流解译的正确性。假设流解译不对，第二块指令的起始将不是这个值。

messagetype 是一个用来标定指令类型的字节，决定了载荷联合体该採用哪个策略解译

data_length是长度。这里代表载荷的长度

载荷 payload说明：

有三种指令结构体， 心跳结构体用来维持各个server之间的心跳，基本信息（basicInfo)用于在连接建立后，向对方告知本节点的信息。

广播结构体是用于在本机的server列表发生变更时，向全部现有节点广播新的列表。

对传输的用户数据，直接存储在data中。

5.1.2 连接流程

第一步，准备增加集群的server选取集群中任一个节点作为对象，发起P2P连接。

第二步，两方互换信息(basicInfo)

第三步。两方将对方的信息加入到本地的server节点表中。server节点表是一群zp_ClusterNode类的实例，该类由ZPTaskEngine::zp_plTaskBase派生。这个基类在第三章有介绍。server节点对象的实例负责详细的指令解译。

该列表例如以下（在cluster子目录的 zp_clusterterm.h中定义)：

//important hashes. server name to socket, socket to server name
QMutex m_hash_mutex;
QMap<QString , zp_ClusterNode *> m_hash_Name2node;
QMap<QObject *,zp_ClusterNode *> m_hash_sock2node;

节点的指针存放在映射中，一个是名称到对象的映射，一个是套接字到对象的映射

第四步，因为节点表发生变化。因此。会触发对现有节点的广播(broadCasting)

第五步，各个节点收到广播后。会比較广播中的节点信息和自己眼下的节点信息，并发起向新增节点的连接。

终于，当一对一连接完毕，系统又一次处于稳定状态。解译这段信息的代码片段在中cluster目录zp_clusternode.cpp的deal_current_message_block方法中实现:

switch(m_currentHeader.messagetype)
{
\\...
case 0x01://basicInfo, when connection established, this message should be used

if (bytesLeft==0)
{
QString strName ((const char *)pMsg->payload.basicInfo.name);
if (strName != m_pTerm->name())
{
this->m_strTermName = strName;
m_nPortLAN = pMsg->payload.basicInfo.port_LAN;
m_addrLAN = QHostAddress((const char *)pMsg->payload.basicInfo.Address_LAN);
m_nPortPub = pMsg->payload.basicInfo.port_Pub;
m_addrPub = QHostAddress((const char *)pMsg->payload.basicInfo.Address_Pub);
if (false==m_pTerm->regisitNewServer(this))
{
this->m_strTermName.clear();
emit evt_Message(this,tr("Info: New Svr already regisited. Ignored.")+strName);
emit evt_close_client(this->sock());
}
else
{
emit evt_NewSvrConnected(this->termName());
m_pTerm->BroadcastServers();
}
}
else
{
emit evt_Message(this,tr("Can not connect to it-self, Loopback connections is forbidden."));
emit evt_close_client(this->sock());
}
}
break;
case 0x02: //Server - broadcast messages

if (bytesLeft==0)
{
int nSvrs = pMsg->hearder.data_length / sizeof(CROSS_SVR_MSG::uni_payload::tag_CSM_Broadcast);
for (int i=0;i<nSvrs;i++)
{
QString strName ((const char *)pMsg->payload.broadcastMsg[i].name);
if (strName != m_pTerm->name() && m_pTerm->SvrNodeFromName(strName)==NULL)
{
QHostAddress addrToConnectTo((const char *)pMsg->payload.broadcastMsg[i].Address_LAN);
quint16 PortToConnectTo = pMsg->payload.broadcastMsg[i].port_LAN;

if (strName > m_pTerm->name())
emit evt_connect_to(addrToConnectTo,PortToConnectTo,false);
else
emit evt_Message(this,tr("Name %1 <= %2, omitted.").arg(strName).arg(m_pTerm->name()));
}
}
}
break;
...

5.2 流式解析

TCP 是面向连接的流式传输。对用户发送的一个大数据包，尽管保证收发的完整性，旦接收方每次接收的数据片段长度是有限的，也是不定的。

一种简单的思路是依照指令结构体的长度。直接缓存完整的数据包，而后集中处理。这样有一个问题，在数据包非常大时。内存开销过高。

因此，本应用设计的思路是边接收、边处理。

详细步骤：

1、检查收到的头部是否合法

2、存储当前指令的头部

3、一旦得到一段载荷数据。就回调一次处理过程，处理过程依据需求等待很多其它数据，或者处理完后清空缓存。这对一次传输100MB数据的应用是非常关键的。流式处理须要完毕的步骤关键代码例如以下：

5.2.1 数据接收

在 zp_ClusterTerm的接收槽里。直接把数据片段压入zp_ClusterNode对象的队列中，并压入流水线。

//some data arrival
void  zp_ClusterTerm::on_evt_Data_recieved(QObject *  clientHandle,QByteArray  datablock )
{
//Push Clients to nodes if it is not exist
zp_ClusterNode * pClientNode = ...;
int nblocks =  pClientNode->push_new_data(datablock);
if (nblocks<=1)
m_pClusterEng->pushTask(pClientNode);
//...
}

oushTask方法把Block压入zp_ClusterNode的处理队列m_list_Rawdata里，这部分的状态变量例如以下：

class zp_ClusterNode : public ZPTaskEngine::zp_plTaskBase
{
//.....
//Data Process
//The raw data queue and its mutex
QList<QByteArray> m_list_RawData;
QMutex m_mutex_rawData;

//The current Read Offset, from m_list_RawData's beginning
int m_currentReadOffset;
//Current Message Offset, according to m_currentHeader
int m_currentMessageSize;

//Current un-procssed message block.for large blocks,
//this array will be re-setted as soon as some part of data has been
//dealed, eg, send a 200MB block, the 200MB data will be splitted into pieces
QByteArray m_currentBlock;

CROSS_SVR_MSG::tag_header m_currentHeader;

//...
};

变量 m_currentReadOffset 指的是队列的首部元素已经处理的偏移。比方首部的Block有2341字节。处理了1099字节，本指令已经结束，则此值为1099

变量 m_currentMessageSize 指的是当前接收的信息的大小。比方100MB 的信息。接受了23MB，这个值就是23MB

变量 m_currentBlock 是当前的缓存。这个缓存会不断的递交处理，负责处理的程序能够依据情况适时清空它。对短指令，不清也是能够的。

变量 m_currentHeader 是当前的信息头部，这个值记录了当前结构体的首部信息。

5.2.2 数据处理

在线程池中，会调用 zp_ClusterNode::run 虚拟方法。这种方法的关键代码例如以下(实际代码由于有线程同步，要复杂一些）：

int zp_ClusterNode::run()
{
//nMessageBlockSize 是静态变量。表示最多处理几个块就释放CPU给其它节点
int nMessage = m_nMessageBlockSize;
int nCurrSz = -1;
while (--nMessage>=0 && nCurrSz!=0  )
{
QByteArray block;
block =  *m_list_RawData.begin();
m_currentReadOffset = filter_message(block,m_currentReadOffset);
if (m_currentReadOffset >= block.size())
{
m_list_RawData.pop_front();
m_currentReadOffset = 0;
}
nCurrSz = m_list_RawData.size();
}
if (nCurrSz==0)
return 0;
return -1;
}

当中，filter_message 是对信息进行初步处理。输入当前队列的首部、处理偏移，返回新的处理偏移

这种方法的关键代码例如以下：

//!deal one message, affect m_currentRedOffset,m_currentMessageSize,m_currentHeader
//!return bytes Used.
int zp_ClusterNode::filter_message(QByteArray  block, int offset)
{
const int blocklen = block.length();
while (blocklen>offset)
{
const char * dataptr = block.constData();

//先确保信息的头标志被接收
while (m_currentMessageSize<2 && blocklen>offset )
{
m_currentBlock.push_back(dataptr[offset++]);
m_currentMessageSize++;
}
if (m_currentMessageSize < 2) //First 2 byte not complete
continue;

if (m_currentMessageSize==2)
{
const char * headerptr = m_currentBlock.constData();
memcpy((void *)&m_currentHeader,headerptr,2);
}

const char * ptrCurrData = m_currentBlock.constData();
//推断头2个字节是不是1234
if (m_currentHeader.Mark == 0x1234)
//Valid Message
{
//试图接收完整的头部信息
if (m_currentMessageSize< sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header) && blocklen>offset)
{
int nCpy = sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header) - m_currentMessageSize;
if (nCpy > blocklen - offset)
nCpy = blocklen - offset;
QByteArray arrCpy(dataptr+offset,nCpy);
m_currentBlock.push_back(arrCpy);
offset += nCpy;
m_currentMessageSize += nCpy;
}
//假设头部还没收完则返回
if (m_currentMessageSize < sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header)) //Header not completed.
continue;
//除了头部以外，还有数据可用，而且头部刚刚接收完
else if (m_currentMessageSize == sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header))//Header just  completed.
{
//保存头部
const char * headerptr = m_currentBlock.constData();
memcpy((void *)&m_currentHeader,headerptr,sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header));

//继续处理兴许的载荷
if (block.length()>offset)
{
//确定还有多少字节没有接收
qint32 bitLeft = m_currentHeader.data_length + sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header)
-m_currentMessageSize ;
//继续接收载荷
if (bitLeft>0 && blocklen>offset)
{
int nCpy = bitLeft;
if (nCpy > blocklen - offset)
nCpy = blocklen - offset;
QByteArray arrCpy(dataptr+offset,nCpy);
m_currentBlock.push_back(arrCpy);
offset += nCpy;
m_currentMessageSize += nCpy;
bitLeft -= nCpy;
}
//处理一次数据
deal_current_message_block();
if (bitLeft>0)
continue;
//This Message is Over. Start a new one.
m_currentMessageSize = 0;
m_currentBlock = QByteArray();
continue;
}
}
//除了头部以外，还有数据可用
else
{

if (block.length()>offset)
{
//确定还有多少字节没有接收
qint32 bitLeft = m_currentHeader.data_length + sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header)
-m_currentMessageSize ;
//继续接收载荷
if (bitLeft>0 && blocklen>offset)
{
int nCpy = bitLeft;
if (nCpy > blocklen - offset)
nCpy = blocklen - offset;
QByteArray arrCpy(dataptr+offset,nCpy);
m_currentBlock.push_back(arrCpy);
offset += nCpy;
m_currentMessageSize += nCpy;
bitLeft -= nCpy;
}
//deal block, may be processed as soon as possible;
deal_current_message_block();
if (bitLeft>0)
continue;
//This Message is Over. Start a new one.
m_currentMessageSize = 0;
m_currentBlock = QByteArray();
continue;
}
} // end if there is more bytes to append
} //end deal trans message
else
//...
} // end while block len > offset

return offset;
}

在处理当前块数据的方法 deal_current_message_block里。就可以逐一推断消息类型，加以处理了。

5.3 集群模块外部接口

集群模块仅仅负责在server之间建立连接，并提供一套传输用户数据的通路。

在集群建立连接后。用户直接通过

void zp_ClusterTerm::SendDataToRemoteServer(QString  svrName,QByteArray  SourceArray)
{
int nMsgLen = sizeof(CROSS_SVR_MSG::tag_header) +  SourceArray.size();
QByteArray array(nMsgLen,0);
CROSS_SVR_MSG * pMsg =(CROSS_SVR_MSG *) array.data();
pMsg->hearder.Mark = 0x1234;
pMsg->hearder.data_length = SourceArray.size();
pMsg->hearder.messagetype = 0x03;
memcpy (pMsg->payload.data,SourceArray.constData(),SourceArray.size());
m_hash_mutex.lock();
if (m_hash_Name2node.contains(svrName))
netEng()->SendDataToClient(m_hash_Name2node[svrName]->sock(),array);
m_hash_mutex.unlock();
}

向server svrName发送 SourceArray， 并响应

void evt_RemoteData_recieved(QString /*svrHandle*/,QByteArray  /*svrHandle*/ );

信号来接收数据。

用户不用关心传输协议的封装和解析。

可是，下面问题是不涉及的。

1、传输的数据的详细意义解释

2、全局client的UUID哈希和同步

3、client数据是否被真正接收。

这些部分留给应用相关部分来详细实现。