分布式系统的负载均衡

一、 什么是负载均衡？

什么是负载均衡？

记得第一次接触 Nginx 是在实验室，那时候在服务器部署网站需要用 Nginx 。Nginx 是一个服务组件，用来反向代理、负载平衡和 HTTP 缓存等。那么这里的 负载均衡 是什么？

负载均衡（LB，Load Balance），是一种技术解决方案。用来在多个资源（一般是服务器）中分配负载，达到最优化资源使用，避免过载。

资源，相当于每个服务实例的执行操作单元，负载均衡就是将大量的数据处理操作分摊到多个操作单元进行执行，用来解决互联网分布式系统的大流量、高并发和高可用的问题。那什么是高可用呢？

二、什么是高可用？

首先了解什么是高可用？

这是 CAP 定理是分布式系统的基础，也是分布式系统的 3 个指标：

• Consistency（一致性）
• Availability（可用性）
• Partition tolerance（分区容错性）

那高可用（High Availability） 是什么？高可用，简称 HA，是系统一种特征或者指标，通常是指，提供一定性能上的服务运行时间，高于平均正常时间段。反之，消除系统服务不可用的时间。

衡量系统是否满足高可用，就是当一台或者多台服务器宕机的时候，系统整体和服务依然正常可用。

举个例子，一些知名的网站保证 4 个 9 以上的可用性，也就是可用性超过 99.99%。那 0.01% 就是所谓故障时间的百分比。比如电商网站有赞，服务不可用会造成商家损失金钱和用户。那么在提高可用性基础上同时，对系统宕机和服务不可用会有补偿。

比如下单服务，可以使用带有负载均衡的多个下单服务实例，代替单一的下单服务实例，即使用冗余的方式来提高可靠性。

总而言之，负载均衡（Load Balance）是分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一。一般通过负载均衡，冗余同一个服务实例的方式，解决分布式系统的大流量、高并发和高可用的问题。负载均衡核心关键：在于是否分配均匀。

三、常见的负载均衡案例

场景1：微服务架构中，网关路由到具体的服务实例 hello：

• 两个相同的服务实例 hello service ，一个端口 8000 ，另一个端口 8082

• 通过 Kong 的负载均衡 LB 功能，让请求均匀的分发到两个 hello 服务实例

• Kong 的负载均衡策略算法很多：默认 weighted-round-robin 算法，还有 consumer: consumer id 作为 hash 算法输入值等
  
  场景2：微服务架构中，A 服务调用 B 服务的集群。通过了 Ribbon 客户端负载均衡组件：

• 负载均衡策略算法并不高级，最简单的是随机选择和轮循

四、互联网分布式系统解决方案

常见的互联网分布式系统架构分为几层，一般如下：

• 客户端层：比如用户浏览器、APP 端

• 反向代理层：技术选型 Nignx 或者 F5 等

• Web 层：前后端分离场景下， Web 端可以用 NodeJS 、 RN 、Vue

• 业务服务层：用 Java 、Go，一般互联网公司，技术方案选型就是 SC 或者 Spring Boot + Dubbo 服务化

• 数据存储层：DB 选型 MySQL ，Cache 选型 Redis ，搜索选型 ES 等
  一个请求从第 1 层到第 4 层，层层访问都需要负载均衡。即每个上游调用下游多个业务方的时候，需要均匀调用。这样整体系统来看，就比较负载均衡

第 1 层：客户端层 -> 反向代理层 的负载均衡

客户端层 -> 反向代理层的负载均衡如何实现呢？

答案是：DNS 的轮询。DNS 可以通过 A （Address，返回域名指向的 IP 地址）设置多个 IP 地址。比如这里访问 bysocket.com 的 DNS 配置了 ip1 和 ip2 。为了反向代理层的高可用，至少会有两条 A 记录。这样冗余的两个 ip 对应的 nginx 服务实例，防止单点故障。

每次请求 bysocket.com 域名的时候，通过 DNS 轮询，返回对应的 ip 地址，每个 ip 对应的反向代理层的服务实例，也就是 nginx 的外网ip。这样可以做到每一个反向代理层实例得到的请求分配是均衡的。

第 2 层：反向代理层 -> Web 层 的负载均衡

反向代理层 -> Web 层 的负载均衡如何实现呢？

是通过反向代理层的负载均衡模块处理。比如 nginx 有多种均衡方法：

• 请求轮询。请求按时间顺序，逐一分配到 web 层服务，然后周而复始。如果 web 层服务 down 掉，自动剔除

    upstream web-server {
        server ip3;
        server ip4;
    }

• ip 哈希。按照 ip 的哈希值，确定路由到对应的 web 层。只要是用户的 ip 是均匀的，那么请求到 Web 层也是均匀的。还有个好处就是同一个 ip 的请求会分发到相同的 web 层服务。这样每个用户固定访问一个 web 层服务，可以解决 session 的问题。

    upstream web-server {
        ip_hash;
        server ip3;
        server ip4;
    }

• weight 权重 、 fair、url_hash 等

第 3 层：Web 层 -> 业务服务层 的负载均衡

Web 层 -> 业务服务层 的负载均衡如何实现呢？

比如 Dubbo 是一个服务治理方案，包括服务注册、服务降级、访问控制、动态配置路由规则、权重调节、负载均衡。其中一个特性就是智能负载均衡：内置多种负载均衡策略，智能感知下游节点健康状况，显著减少调用延迟，提高系统吞吐量。

为了避免避免单点故障和支持服务的横向扩容，一个服务通常会部署多个实例，即 Dubbo 集群部署。会将多个服务实例成为一个服务提供方，然后根据配置的随机负载均衡策略，在20个 Provider 中随机选择了一个来调用，假设随机到了第7个 Provider。LoadBalance 组件从提供者地址列表中，使用均衡策略，选择选一个提供者进行调用，如果调用失败，再选另一台调用。

Dubbo内置了4种负载均衡策略:

• RandomLoadBalance:随机负载均衡。随机的选择一个。是Dubbo的默认负载均衡策略。
• RoundRobinLoadBalance:轮询负载均衡。轮询选择一个。
• LeastActiveLoadBalance:最少活跃调用数，相同活跃数的随机。活跃数指调用前后计数差。使慢的 Provider 收到更少请求，因为越慢的 Provider 的调用前后计数差会越大。
• ConsistentHashLoadBalance:一致性哈希负载均衡。相同参数的请求总是落在同一台机器上。
  同样，因为业务的需要，也可以实现自己的负载均衡策略

第 4 层：业务服务层 -> 数据存储层 的负载均衡

数据存储层的负载均衡，一般通过 DBProxy 实现。比如 MySQL 分库分表。

当单库或者单表访问太大，数据量太大的情况下，需要进行垂直拆分和水平拆分两个维度。比如水平切分规则：

• Range 、 时间
• hash 取模，订单根据店铺ID 等

但伴随着这块的负载会出现下面的问题，需要解决：

• 分布式事务
• 跨库 join 等

现状分库分表的产品方案很多：当当 sharding-jdbc、阿里的 Cobar 等

五、小结

对外看来，负载均衡是一个系统或软件的整体。对内看来，层层上下游调用。只要存在调用，就需要考虑负载均衡这个因素。所以负载均衡（Load Balance）是分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一。考虑主要是如何让下游接收到的请求是均匀分布的：

• 第 1 层：客户端层 -> 反向代理层 的负载均衡。通过 DNS 轮询
• 第 2 层：反向代理层 -> Web 层 的负载均衡。通过 Nginx 的负载均衡模块
• 第 3 层：Web 层 -> 业务服务层 的负载均衡。通过服务治理框架的负载均衡模块
• 第 4 层：业务服务层 -> 数据存储层 的负载均衡。通过数据的水平分布，数据均匀了，理论上请求也会均匀。比如通过买家ID分片类似

原创不易，争取多画图，图解胜千言（泥瓦匠@bysocket.com）

参考资料：

《关于负载均衡的一切》https://mp.weixin.qq.com/s/xvozZjmn-CvmQMAEAyDc3w
《Dubbo 的负载均衡》http://dubbo.apache.org/zh-cn/blog/dubbo-loadbalance.html
https://zh.wikipedia.org/wiki/负载均衡

END

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