Go 实现 Nginx 加权轮询算法的方法步骤

最近在看一些 getway 相关的资料，发现有关 nginx 负载均衡的算法有点多，但是有点乱，所以整理下。。。如有不对地方请指出。

一，nginx 负载均衡的轮询 （round-robin）

在说加权轮询之前我们先来简单的说一下轮询

1. nginx 中的配置

upstream cluster {
    server 192.168.0.14;
    server 192.168.0.15;
}

location / {
   proxy_set_header x-real-ip $remote_addr;               //返回真实ip
   proxy_pass http://cluster;                           //代理指向cluster 
    
}

2. 简单介绍

轮询 作为负载均衡中较为基础的算法，他的实现不需要配置额外的参数。简单理解：配置文件中一共配置了 n 台服务器，轮询 算法会遍历服务的节点列表，并按照节点顺序每轮选择一台服务器处理请求，当所有节点遍历一遍后，重新开始

3. 特点

轮询 算法中我们不难看出，每台服务器处理请求的数量基本持平，按照请求时间逐一分配，因此只能适用于集群服务器性能相近的情况，平均分配让每台服务器承载量基本持平。但是如果集群服务器性能参差不齐，这样的算法会导致资源分配不合理，造成部分请求阻塞，部分服务器资源浪费。为了解决上述问题，我们将 轮询 算法升级了，引入了 加权轮询 算法，让集群中性能差异较大的服务器也能合理分配资源。达到资源尽量最大化合理利用

4. 实现 （这里使用golang模拟实现）

type roundrobinbalance struct {
    curindex int
    rss []string
}

/**
 * @author: yang
 * @description：添加服务
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func (r *roundrobinbalance) add (params ...string) error{
    if len(params) == 0 {
        return errors.new("params len 1 at least")
    }
    addr := params[0]
    r.rss = append(r.rss, addr)

    return nil
}

/**
 * @author: yang
 * @description：轮询获取服务
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func (r *roundrobinbalance) next () string {
    if len(r.rss) == 0 {
        return ""
    }
    lens := len(r.rss)
    if r.curindex >= lens {
        r.curindex = 0
    }
    curadd := r.rss[r.curindex ]
    r.curindex = (r.curindex + 1) % lens
    return curadd
}

5. 测试

简单调用下方法看看结果

/**
 * @author: yang
 * @description：测试
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func main(){
    rb := new(roundrobinbalance)
    rb.add("127.0.0.1:80")
    rb.add("127.0.0.1:81")
    rb.add("127.0.0.1:82")
    rb.add("127.0.0.1:83")

    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
}

go run main.go 

127.0.0.1:80
127.0.0.1:81
127.0.0.1:82
127.0.0.1:83
127.0.0.1:80
127.0.0.1:81

二，nginx 负载均衡的加权轮询 （weighted-round-robin）

进入主题

1. nginx 配置

http {  
    upstream cluster {  
        server 192.168.1.2 weight=5;  
        server 192.168.1.3 weight=3;  
        server 192.168.1.4 weight=1;  
    }  

location / {
       proxy_set_header x-real-ip $remote_addr;               //返回真实ip
       proxy_pass http://cluster;                           //代理指向cluster 
   }

2. 加权算法简介-特点

不同的服务器的配置，部署的应用数量，网络状况等都会导致服务器处理能力会不一样，所以简单的 轮询 算法将不再适用，而引入 了加权轮询 算法：根据服务器不同的处理能力，给每个服务器分配不同的权值，根据不同的权值将不同的服务器分配到对应的服务器上；

请求数量较大时，每个服务处理请求的数量之比会趋向于权重之比。

3. 算法说明

在 nginx加权轮询算法 中，每个节点都有3个权重的变量

• weight : 配置的权重，根据配置文件初始化每个服务器节点的权重
• currentweight : 节点的当前权重，初始化时是配置的权重，随后会一直变更
• effectiveweight : 有效的权重，初始值为 weight ，通讯过程中发现节点异常，则 -1 ，之后再次选择本节点，调用成功一次则 +1 ，直到恢复到 weight。这个参数可以用于做降权。或者说是你的设置的权限修正。。

nginx加权轮询算法 的逻辑实现

• 轮询所有节点，计算当前状态下所有的节点的 effectiveweight 之和 作为 totalweight；
• 更新每个节点的 currentweight ， currentweight = currentweight + effectiveweight; 选出所有节点 currentweight 中最大的一个节点作为选中节点；
• 选择中的节点再次更新 currentweight, currentweight = currentweight - totalweight；

4. 简单举例

注意：实现中不考虑健康检查，即所有的节点都是100%可用的，所以 effectiveweight 等于 weight
假设：现在有3个节点 {a, b, c} 分别权重为：{4, 2, 1}；请求7次

第n次请求	请求前 currentweight	选中的节点	请求后 currentweight
1	[servera=4, serverb=2, serverc=1]	servera	[servera=1, serverb=4, serverc=2]
2	[servera=1, serverb=4, serverc=2]	serverb	[servera=5, serverb=-1, serverc=3]
3	[servera=5, serverb=-1, serverc=3]	servera	[servera=2, serverb=1, serverc=4]
4	[servera=2, serverb=1, serverc=4]	servera	[servera=-1, serverb=3, serverc=5]
5	[servera=-1, serverb=3, serverc=5]	serverc	[servera=3, serverb=5, serverc=-1]
6	[servera=3, serverb=5, serverc=-1]	servera	[servera=0, serverb=7, serverc=0]
7	[servera=0, serverb=7, serverc=0]	serverb	[servera=4, serverb=2, serverc=1]

totaoweight = 4 + 2 + 1 = 7
第一次请求： servera = 4 + 4 = 8 ， serverb = 2 + 2 = 4， serverc = 1 + 1 = 2； 最大的是 servera ； 所以选择 servera ；然后servera = 8 - 7 = 1；最后得出：servera=1, serverb=4, serverc=2
第二次请求： servera = 1 + 4 = 5； serverb = 4 + 2 = 6 ； serverc = 2 + 1 = 3；最大的是 serverb ； 所以选择 serverb ； 然后 serverb = 6 - 7 = -1 ；最后得出： servera=5, serverb=-1, serverc=3
以此类推。。。

5. 代码实现

以golang实现下上面的逻辑：

type weightroundrobinbalance struct {
    curindex int
    rss []*weightnode
}

type weightnode struct {
    weight int // 配置的权重，即在配置文件或初始化时约定好的每个节点的权重
    currentweight int //节点当前权重，会一直变化
    effectiveweight int //有效权重，初始值为weight, 通讯过程中发现节点异常，则-1 ，之后再次选取本节点，调用成功一次则+1，直达恢复到weight 。 用于健康检查，处理异常节点，降低其权重。
    addr string // 服务器addr
}

/**
 * @author: yang
 * @description：添加服务
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func (r *weightroundrobinbalance) add (params ...string) error{
    if len(params) != 2{
        return errors.new("params len need 2")
    }
    // @todo 获取值
    addr := params[0]
    parint, err  := strconv.parseint(params[1], 10, 64)
    if err != nil {
        return err
    }
    node := &weightnode{
        weight: int(parint),
        effectiveweight: int(parint),  // 初始化時有效权重 = 配置权重值
        currentweight: int(parint), // 初始化時当前权重 = 配置权重值
        addr: addr,
    }
    r.rss = append(r.rss, node)
    return nil
}

/**
 * @author: yang
 * @description：轮询获取服务
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func (r *weightroundrobinbalance) next () string {
    // @todo 没有服务
    if len(r.rss) == 0 {
        return ""
    }

    totalweight := 0
    var maxweightnode *weightnode
    for key , node  := range r.rss {
        // @todo 计算当前状态下所有节点的effectiveweight之和totalweight
        totalweight += node.effectiveweight

        // @todo 计算currentweight
        node.currentweight += node.effectiveweight

        // @todo 寻找权重最大的
        if maxweightnode == nil ||  maxweightnode.currentweight < node.currentweight {
            maxweightnode = node
            r.curindex = key
        }
    }

    // @todo 更新选中节点的currentweight
    maxweightnode.currentweight -= totalweight

    // @todo 返回addr
    return maxweightnode.addr
}

6. 测试验证

/**
 * @author: yang
 * @description：测试
 * @date: 2021/4/7 15:36
 */
func main(){
    rb := new(weightroundrobinbalance)
    rb.add("127.0.0.1:80", "4")
    rb.add("127.0.0.1:81", "2")
    rb.add("127.0.0.1:82", "1")

    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
    fmt.println(rb.next())
}

执行下看下结果：

run main.go

127.0.0.1:80
127.0.0.1:81
127.0.0.1:80
127.0.0.1:80
127.0.0.1:82
127.0.0.1:80
127.0.0.1:81

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