怎么檢測(cè)一臺(tái)機(jī)器是否宕機(jī)

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檢測(cè)一臺(tái)機(jī)器是否宕機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1, 工作機(jī)器宕機(jī)，總控節(jié)點(diǎn)需要能夠檢測(cè)到并且將原有服務(wù)遷移到集群中的其它節(jié)點(diǎn)。

2, 總控節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，總控節(jié)點(diǎn)的備份節(jié)點(diǎn)（一般稱(chēng)為Slave）需要能夠檢測(cè)到并替換成主節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對(duì)外服務(wù)。

檢測(cè)一臺(tái)機(jī)器是否宕機(jī)必須是可靠的。在大規(guī)模集群中，機(jī)器可能出現(xiàn)各種異常，比如停電，磁盤(pán)故障，過(guò)于繁忙導(dǎo)致假死等。對(duì)于機(jī)器假死，如果總控節(jié)點(diǎn)認(rèn)為機(jī)器宕機(jī)并將服務(wù)遷移到其它節(jié)點(diǎn)，假死的機(jī)器又認(rèn)為自己還可以提供服務(wù)，則會(huì)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)同一份數(shù)據(jù)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的情況。

首先必須明確，理論上檢測(cè)另外一臺(tái)機(jī)器是否宕機(jī)是無(wú)法做到的，有興趣的同學(xué)可以參考Fischer的論文?？梢院?jiǎn)單理解如下：A機(jī)器往B機(jī)器發(fā)送心跳包，如果B機(jī)器不發(fā)送響應(yīng)，A無(wú)法確定B機(jī)器是宕機(jī)了還是過(guò)于繁忙，由于A和B兩臺(tái)機(jī)器的時(shí)鐘可能不同步，B機(jī)器也無(wú)法確定多久沒(méi)有收到A機(jī)器的心跳包可以認(rèn)為必須停止服務(wù)。因此，A機(jī)器沒(méi)有辦法確定B機(jī)器已經(jīng)宕機(jī)或者采取措施強(qiáng)制B機(jī)器停止服務(wù)。

當(dāng)然，工程實(shí)踐中，由于機(jī)器之間會(huì)進(jìn)行時(shí)鐘同步，我們總是假設(shè)A和B兩臺(tái)機(jī)器的本地時(shí)鐘相差不大，比如相差不超過(guò)0.5秒。這樣，我們可以通過(guò)Lease機(jī)制進(jìn)行宕機(jī)檢測(cè)。Lease機(jī)制就是帶有超時(shí)時(shí)間的一種授權(quán)。假設(shè)總控節(jié)點(diǎn)需要檢測(cè)工作節(jié)點(diǎn)是否宕機(jī)，總控節(jié)點(diǎn)可以給工作節(jié)點(diǎn)發(fā)放Lease授權(quán)，工作節(jié)點(diǎn)持有有效期內(nèi)的Lease才允許提供服務(wù)，否則主動(dòng)下線(xiàn)停止服務(wù)。工作節(jié)點(diǎn)的Lease快要到期的時(shí)候向總控節(jié)點(diǎn)重新申請(qǐng)Lease（一般稱(chēng)為renewLease），總控節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)所有工作機(jī)的Lease授權(quán)是否合法，如果發(fā)現(xiàn)某臺(tái)工作機(jī)Lease失效，可以將工作機(jī)上的服務(wù)遷移到集群中的其它機(jī)器，這時(shí)因?yàn)楣ぷ鳈C(jī)發(fā)現(xiàn)自己Lease失效會(huì)主動(dòng)停止服務(wù)。當(dāng)然，這里需要注意，由于總控節(jié)點(diǎn)和工作機(jī)的時(shí)鐘可能不一致且有網(wǎng)絡(luò)延遲，總控節(jié)點(diǎn)上的Lease超時(shí)時(shí)間要長(zhǎng)，也就是說(shuō)，如果工作節(jié)點(diǎn)的Lease超時(shí)時(shí)間是12秒，總控節(jié)點(diǎn)可能需要13秒后才能確認(rèn)工作節(jié)點(diǎn)已經(jīng)停止了服務(wù)，從而避免數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。

同構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的選主也有一個(gè)宕機(jī)檢測(cè)問(wèn)題。比如總控節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，備份節(jié)點(diǎn)需要能夠檢測(cè)并升級(jí)為主節(jié)點(diǎn)繼續(xù)對(duì)外服務(wù)。Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)常采用Heartbeat + DRBD (Distributed Replicated Block Device) + Mysql的高可用性方案，據(jù)說(shuō)能夠達(dá)到3個(gè)9的高可用性，主節(jié)點(diǎn)和備節(jié)點(diǎn)維持Heartbeat心跳，當(dāng)提供服務(wù)的主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，備節(jié)點(diǎn)的Heartbeat檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)沒(méi)有心跳（例如，Ping不通主節(jié)點(diǎn)），備節(jié)點(diǎn)自動(dòng)接管虛擬IP，升級(jí)為主節(jié)點(diǎn)提供Mysql讀寫(xiě)服務(wù)。由于Heartbeat檢測(cè)機(jī)器主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)不可靠，這個(gè)方案存在眾所周知的腦裂問(wèn)題，即集群中可能同時(shí)存在多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)提供服務(wù)。解決這個(gè)問(wèn)題本質(zhì)上還是需要引入仲裁節(jié)點(diǎn)，比如Heartbeat + DRBD方案中引入Fence節(jié)點(diǎn)使出現(xiàn)問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)從集群中脫離，或者引入分布式鎖服務(wù)，比如Chubby的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)Zookeeper服務(wù)。分布式鎖服務(wù)實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)選舉大致如下：主節(jié)點(diǎn)和備節(jié)點(diǎn)到Chubby中搶鎖，搶到鎖的節(jié)點(diǎn)在鎖的有效期(Lease期)內(nèi)提供服務(wù)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)鎖的Lease快要到期時(shí)，主節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)延長(zhǎng)鎖的超時(shí)時(shí)間，正常情況下分布式鎖服務(wù)總是優(yōu)先滿(mǎn)足主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，備節(jié)點(diǎn)能夠搶到鎖切換為主節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

***還有一個(gè)問(wèn)題，假設(shè)總控節(jié)點(diǎn)通過(guò)Lease機(jī)制檢測(cè)工作節(jié)點(diǎn)是否宕機(jī)，這種方案是可靠的，不過(guò)當(dāng)總控節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時(shí)，如果不采取任何措施，集群中的所有工作節(jié)點(diǎn)都將因?yàn)闊o(wú)法重新申請(qǐng)Lease而停止服務(wù)，這就是帶有總控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)固有的脆弱性，某個(gè)設(shè)計(jì)或者編碼的錯(cuò)誤都有可能造成嚴(yán)重的影響。解決這個(gè)問(wèn)題一般會(huì)有一個(gè)叫做Grace Period的機(jī)制，工作節(jié)點(diǎn)Lease超時(shí)時(shí)將停止服務(wù)，但是工作節(jié)點(diǎn)并不一開(kāi)始就重啟或者下線(xiàn)，而是處于一種危險(xiǎn)狀態(tài)(稱(chēng)為Jeopardy)，這種狀態(tài)持續(xù)一個(gè)Grace Period，比如45秒。如果在Grace Period 內(nèi)總控節(jié)點(diǎn)重啟，工作節(jié)點(diǎn)和總控節(jié)點(diǎn)重新聯(lián)系上從而可以切換為正常狀態(tài)繼續(xù)提供服務(wù)。

如果需要較好地理解宕機(jī)及選舉相關(guān)的問(wèn)題，可以閱讀并思考Paxos相關(guān)的論文，比如Paxos made simple, The Part-time Parliament, Paxos made live, Paxos made practical, Chubby等。有任何問(wèn)題，歡迎討論。

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