分布式系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)——「負(fù)載均衡」到底該如何實(shí)施？

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        前面兩篇《 分布式系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)——初識(shí)「高可用」 》、《 分布式系統(tǒng)關(guān)注點(diǎn)——僅需這一篇，吃透「負(fù)載均衡」妥妥的 》看完后，相信大家對(duì)實(shí)現(xiàn)高可用的思路和負(fù)載均衡的策略有了一些了解。這篇主要闡述一下在實(shí)施的時(shí)候主流的一些解決方案。

一、為什么沒有DNS？

        再翻出第一篇中放出的一張圖來回顧一下。

        之前也有的小伙伴問到，為什么沒有列出DNS？我認(rèn)為，DNS的本質(zhì)是解決「domain name --> ip」的問題。雖然DNS除了在公網(wǎng)運(yùn)用的之外，還會(huì)運(yùn)用于做內(nèi)網(wǎng)的自定義domain name解析，但是在程序里單靠它來做負(fù)載均衡的話，還是太勉強(qiáng)了。

        當(dāng)然，基于DNS“智能解析”功能可以做到IP的動(dòng)態(tài)返回，也算起到了負(fù)載均衡的作用。但是，由于其本身是一個(gè)工作在L3（網(wǎng)絡(luò)層）的解決方案，所以無法對(duì)“端口”進(jìn)行工作。而一般我們程序之間的通訊很多都會(huì)涉及到端口，因此我們本篇先不討論DNS~

二、如何實(shí)施？

        在清楚了我們應(yīng)該在哪些環(huán)節(jié)考慮做負(fù)載均衡之后，接下去就是思考如何能夠循序漸進(jìn)的進(jìn)行。

        古時(shí)候軍隊(duì)打仗的時(shí)候一般都是拿盾的抗在前面，頂住攻擊。而負(fù)載均衡解決方案從某種角度來說也是一個(gè)類似盾一般的防御性設(shè)施，因?yàn)榍疤峋褪且艹休d上游過來的流量。因此，越往“前”做負(fù)載均衡解決方案，效果肯定會(huì)越好，因?yàn)槭鼙Ｗo(hù)的應(yīng)用范圍越廣。

        如果說，系統(tǒng)之前沒有運(yùn)用過負(fù)載均衡，現(xiàn)在開始第一次做，該如何選擇呢？小Z根據(jù)心目當(dāng)中的優(yōu)先級(jí)來和大家聊一下。

01  硬件負(fù)載均衡

        硬件這塊名氣最大的還屬F5（根據(jù)ZOL的數(shù)據(jù)，其在市場(chǎng)占有率51.44%），大大蓋過了其它幾家硬件商的風(fēng)頭。此類硬件負(fù)載均衡器的特點(diǎn)是“壕”，畢竟是純商業(yè)化的東西，投入的資源和精力自然是眾多開源軟件負(fù)載均衡所無法比擬的，所以功能非常強(qiáng)大。包含訪問加速、壓縮、安全等等負(fù)載均衡之外的許多附加功能。

題外話 ：如果用F5組網(wǎng)的話，有兩種結(jié)構(gòu)，串行結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，也稱為直連模式和旁路模式。前者的優(yōu)勢(shì)在對(duì)硬件產(chǎn)生壓力較小、且天然安全性高，而后者對(duì)原網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改動(dòng)較小、且擴(kuò)展性較好。大家在實(shí)際的使用中結(jié)合自身情況來部署。

        “壕”物能夠同時(shí)支持L2~L7的轉(zhuǎn)發(fā)，所以上圖中的每一個(gè)標(biāo)注點(diǎn)都可以用硬件來做負(fù)載均衡。因此，如果在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，直接上F5能解決很多原本需要花更多時(shí)間去解決的問題。所以當(dāng)“時(shí)間”的重要度大于“金錢”的時(shí)候，建議優(yōu)先采用硬件方案。

02  軟件負(fù)載均衡（L7）

        當(dāng)“金錢”的重要程度大于“時(shí)間”的時(shí)候，我們可以通過軟件來達(dá)到我們要的效果。相應(yīng)的，也增加了一些運(yùn)維成本。

        一般情況下，只要對(duì)數(shù)據(jù)庫不濫用，往往我們從「單應(yīng)用 + 單庫」組合最先需要突破的是應(yīng)用，變成「多應(yīng)用 + 單庫」。那么針對(duì)Web應(yīng)用的L7負(fù)載均衡，比較主流的產(chǎn)品是2個(gè)Nginx、HAProxy。在L7做負(fù)載均衡，最大的特點(diǎn)就是靈活，請(qǐng)求的URL、Header都是我們可以去掌控的，所以我們可以利用其中的任何信息為負(fù)載均衡策略所用。

        這一類就是前面圖中的「反向代理」。作為「客戶端」和「Web應(yīng)用」、「前端」和「后端」之間的橋梁。實(shí)際操作中主要做2步：

        1. 在公網(wǎng)的域名解析中，配置解析到「反向代理」。記錄類型是「A」，記錄值是「反向代理」的IP。

        2. 配置真實(shí)提供服務(wù)的Web應(yīng)用IP和端口，和負(fù)載均衡均衡策略。上圖中的配置是Nginx中的示例，負(fù)載均衡策略的缺省值是輪詢。

03  軟件負(fù)載均衡（L4）

        當(dāng)「Web應(yīng)用」所依賴的TCP協(xié)議的「服務(wù)」需要橫向擴(kuò)展，或者需要做「數(shù)據(jù)庫」、「分布式緩存」的多主、主從集群時(shí)，那么就需要一個(gè)支持L4的負(fù)載均衡軟件。這里最知名的就屬LVS了，1998年5月由章文嵩博士建立，2004年底被納入Lunix內(nèi)核。也正因?yàn)樗莾?nèi)核態(tài)的程序，所以相比用Nginx、HAProxy來做L4的負(fù)載均衡，在性能、資源的消耗上會(huì)更優(yōu)一些。

        實(shí)際運(yùn)用中的操作步驟主要也是2步：

        1. 在LVS中添加一個(gè)IP虛擬服務(wù)（IPVS），并指定它的IP、端口和負(fù)載均衡策略。

        2. 將IP虛擬服務(wù)關(guān)聯(lián)到真實(shí)的服務(wù)上，并指定模式和權(quán)重的信息。（做L4的負(fù)載均衡可以使用NAT或者FULLNAT模式）

題外話 ：LVS的模式一共有四種，除了NAT和FULLNAT（NAT的增強(qiáng)版）模式外，它的TUN模式可以在L3做負(fù)載均衡，DR模式可以在L2做負(fù)載均衡，到這個(gè)層面其實(shí)就和做硬件同處于一個(gè)層次了。并且，隨著層次的深入，雖然對(duì)功能性上有所弱化，但是如果不考慮端口的話，單從IP層面的負(fù)載均衡來說，用DR模式做，則對(duì)數(shù)據(jù)包的加工介入度會(huì)降到最低，因此也是通過軟件做負(fù)載均衡能夠達(dá)到的性能極致。

        另外，LVS中運(yùn)用的虛擬IP概念，本質(zhì)上和Nginx中的“server”概念一樣，定義了一個(gè)統(tǒng)一入口，作用上并沒有差別。將Nginx中的upstream關(guān)聯(lián)到server，就如LVS操作步驟第2點(diǎn)中的關(guān)聯(lián)一般。

        這些每個(gè)具體的解決方案的使用教程網(wǎng)上比較多，就不展開了，大家實(shí)際用到的時(shí)候自行查閱一下，當(dāng)然盡量?jī)?yōu)先看官方的。

三、優(yōu)缺點(diǎn)

        做了一個(gè)苦差事，把所有同類型的產(chǎn)品都整合了一下優(yōu)缺點(diǎn)和使用場(chǎng)景。不過，其中有不少是我沒用過的，所以僅供大家參考。順手將一些網(wǎng)上到處充斥的一些過時(shí)結(jié)論做了更新，如：Nginx不支持session sticky等。

        我們可以看到，不同的解決方案有不同的側(cè)重點(diǎn)。因此在單個(gè)解決方案已經(jīng)無法滿足的情況下，我們可以組合使用，各盡所長(zhǎng)。

        負(fù)載均衡這個(gè)領(lǐng)域還是以高可用和性能為2個(gè)最重要因素，下面是小Z推薦的一種組合方式，也是在系統(tǒng)量級(jí)達(dá)到每小時(shí)上億PV之后最被廣泛使用的一種。理論上，利用第一步DNS的域名解析所帶的負(fù)載均衡效果，只要復(fù)制多套LVS主備出來，綁上多個(gè)不同的虛IP，可以做到無限橫向擴(kuò)展，以支撐不斷增長(zhǎng)的流量。

        用到的3個(gè)軟件目前都是開源產(chǎn)品，LVS+Keepalived負(fù)責(zé)做Nginx的負(fù)載均衡，而Nginx負(fù)責(zé)分發(fā)到實(shí)際的請(qǐng)求到Http和Tcp協(xié)議的應(yīng)用上。

        關(guān)于LVS的模式選擇，如果在同網(wǎng)段內(nèi)的話優(yōu)先使用DR模式進(jìn)行L2轉(zhuǎn)發(fā)，性能最好。否則使用TUN模式進(jìn)行L3分發(fā)。與此同時(shí)，在L4、L7的分發(fā)上使用Nginx來做，可以發(fā)揮其靈活易擴(kuò)展的特點(diǎn)以及其它的一些額外特性如緩存等，也算是物盡其用。

        云時(shí)代，service mesh風(fēng)興起。以sidecar模式為核心的后起之秀Linkerd、Conduit、NginMesh、Istio等軟件除了滿足負(fù)載均衡之外，還為高可用相關(guān)的做了眾多的考量，后續(xù)有機(jī)會(huì)小Z和大家一起來梳理一下。很久之前寫過一篇調(diào)研服務(wù)治理框架的文章，里面順帶有提到一下，有興趣的小伙伴們可以跳過去看看：《 分布式系統(tǒng)中的必備良藥 —— 服務(wù)治理 》。

四、結(jié)語

        有些事，并不需要做到一步到位，做技術(shù)也是這樣。其實(shí)大部分情況下，在以上方案中選擇一個(gè)，做一層轉(zhuǎn)發(fā)就夠了。行遠(yuǎn)自邇，避免給自己添不必要的麻煩。