一种基于Qt的可伸缩的全异步C/S架构服务器实现（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服务器，使用星形的无中心连接是较为简便的实现方式。分布在各个物理服务器上的服务进程共同工作，每个进程承担若干连接。为了实现这个功能，需要解决几个关键问题。

5.1、跨服务器传输通道

        设计在高速局域网中的连接可直接采用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子文件夹的   zp_clusterterm.h中定义：

      

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

        服务器在专用的集群网络中监听，需要参数如下：

       1、监听的地址、端口

       2、本节点唯一名称

       3、对服务器集群内其他节点发布的连接端口、地址

       4、对公网客户端发布的连接端口、地址。

      比如，服务器高速局域网网段可能是 10.129.XX.XX，而有些服务器可能以虚拟机(192.168.11.XX)+NAT(10.129.XX.XX)的方式在内网的子网中映射，因此，需要告诉别的服务器节点，如何连接到自己。同时，对公网客户端来说，每个服务器的连接地址又不同了。很有可能也是通过NAT的方式，把数十个内网IP映射到一个外网出口的连续端口上去。这个策略的配置页面如下：

      集群的连接策略是，新的服务器进程选取任意一个现有节点，连接后，通过集群内广播系统自动接收其它各个节点的地址，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，集群传输需要定义一些指令。

5.1.1 集群指令

     集群指令在 cluster 文件夹的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 0x1234quint8 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。如果流解译不正确，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采用哪个策略解译

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服务器之间的心跳，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服务器列表发生变更时，向所有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，准备加入集群的服务器选取集群中任一个节点作为对象，发起P2P连接。

第二步，双方互换信息(basicInfo)

第三步，双方将对方的信息添加到本地的服务器节点表中。服务器节点表是一群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。服务器节点对象的实例负责具体的指令解译。该列表如下（在cluster子文件夹的   zp_clusterterm.h中定义)：

//important hashes. server name to socket, socket to server nameQMutex 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，由于节点表发生变化，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，会比较广播中的节点信息和自己目前的节点信息，并发起向新增节点的连接。

最终，当一对一连接完成，系统重新处于稳定状态。解译这段信息的代码片段在中cluster文件夹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 usedif (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 messagesif (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);elseemit 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，虽然保证收发的完整性，旦接收方每次接收的数据片段长度是有限的，也是不定的。一种简单的思路是按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，在数据包很大时，内存开销过高。因此，本应用设计的思路是边接收、边处理。具体步骤：

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，处理过程根据需求等待更多数据，或者处理完后清空缓存。这对一次传输100MB数据的应用是很关键的。流式处理需要完成的步骤关键代码如下：

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 arrivalvoid  zp_ClusterTerm::on_evt_Data_recieved(QObject *  clientHandle,QByteArray  datablock ){//Push Clients to nodes if it is not existzp_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，这部分的状态变量如下：

class zp_ClusterNode : public ZPTaskEngine::zp_plTaskBase{//.....//Data Process//The raw data queue and its mutexQList<QByteArray> m_list_RawData;QMutex m_mutex_rawData;//The current Read Offset, from m_list_RawData's beginningint m_currentReadOffset;//Current Message Offset, according to m_currentHeaderint 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 piecesQByteArray 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。比如首部的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。比如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，负责处理的程序可以根据情况适时清空它。对短指令，不清也是可以的。

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。这个方法的关键代码如下(实际代码因为有线程同步，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给其他节点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;}

其中，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

这个方法的关键代码如下：

//!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 completecontinue;if (m_currentMessageSize==2){const char * headerptr = m_currentBlock.constData();memcpy((void *)&m_currentHeader,headerptr,2);}const char * ptrCurrData = m_currentBlock.constData();//判断头2个字节是不是1234if (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;}//如果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，并且头部刚刚接收完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));//继续处理后续的载荷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 messageelse  //...} // end while block len > offsetreturn offset;}

在处理当前块数据的方法 deal_current_message_block里，即可逐一判断消息类型，加以处理了。

5.3 集群模块外部接口

         集群模块只负责在服务器之间建立连接，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();}

向服务器 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。

     但是，以下问题是不涉及的。

     1、传输的数据的具体意义解释

     2、全局客户端的UUID哈希和同步

     3、客户端数据是否被真正接收。

     这些部分留给应用相关部分来具体实现。