【 58沈劍 架構師之路】TCP接入層的負載均衡、高可用、擴展性架構

1、web-server的負載均衡

互聯網架構中，web-server接入通常使用nginx來作反向代理，實施負載均衡。整個架構分三層：

• 上游調用層，通常是browser或者APP

• 中間反向代理層，nginx

• 下游真實接入集羣，web-server，常見web-server的有tomcat，apache

 

整個訪問過程爲：

• browser向daojia.com發起請求

• DNS服務器將daojia.com解析爲外網IP(1.2.3.4)

• browser經過外網IP(1.2.3.4)訪問nginx

• nginx實施負載均衡策略，常見策略有輪詢，隨機，IP-hash等

• nginx將請求轉發給內網IP(192.168.0.1)的web-server

 

因爲http短鏈接，以及web應用無狀態的特性，理論上任何一個http請求落在任意一臺web-server都應該獲得正常處理（若是必須落在一臺，說明架構不合理，不能水平擴展）。

 

問題來了，tcp是有狀態的鏈接，客戶端和服務端一旦創建鏈接，一個client發起的請求必須落在同一臺tcp-server上，此時如何作負載均衡，如何保證水平擴展呢？

 

2、單機法tcp-server

單個tcp-server顯然是能夠保證請求一致性：

• client向tcp.daojia.com發起tcp請求

• DNS服務器將tcp.daojia.com解析爲外網IP(1.2.3.4)

• client經過外網IP(1.2.3.4)向tcp-server發起請求

 

方案的缺點？

沒法保證高可用。

 

3、集羣法tcp-server

經過搭建tcp-server集羣來保證高可用，客戶端來實現負載均衡：

• client內配置有tcp1/tcp2/tcp3.daojia.com三個tcp-server的外網IP

• 客戶端經過「隨機」的方式選擇tcp-server，假設選擇到的是tcp1.daojia.com

• 經過DNS解析tcp1.daojia.com

• 經過外網IP鏈接真實的tcp-server

 

如何保證高可用呢？

若是client發現某個tcp-server鏈接不上，則選擇另外一個。

 

潛在的缺點？

每次鏈接前，須要多實施一次DNS訪問：

• 難以預防DNS劫持

• 多一次DNS訪問意味着更長的鏈接時間，這個不足在手機端更爲明顯

 

如何解決DNS的問題？

直接將IP配置在客戶端，能夠解決上述兩個問題，不少公司也就是這麼作的（俗稱「IP直通車」）。

 

「IP直通車」有什麼新問題？

將IP寫死在客戶端，在客戶端實施負載均衡，擴展性不好：

• 若是原有IP發生變化，客戶端得不到實時通知

• 若是新增IP，即tcp-sever擴容，客戶端也得不到實時通知

• 若是負載均衡策略變化，須要升級客戶端

 

4、服務端實施負載均衡

只有將複雜的策略下沉到服務端，才能根本上解決擴展性的問題。

增長一個http接口，將客戶端的「IP配置」與「均衡策略」放到服務端是一個不錯的方案：

• client每次訪問tcp-server前，先調用一個新增的get-tcp-ip接口，對於client而言，這個http接口只返回一個tcp-server的IP

• 這個http接口，實現的是原client的IP均衡策略

• 拿到tcp-server的IP後，和原來同樣向tcp-server發起TCP長鏈接

 

這樣的話，擴展性問題就解決了：

• 若是原有IP發生變化，只須要修改get-tcp-ip接口的配置

• 若是新增IP，也是修改get-tcp-ip接口的配置

• 若是負載均衡策略變化，須要升級客戶端

 

然而，新的問題又產生了，若是全部IP放在客戶端，當有一個IP掛掉的時候，client能夠再換一個IP鏈接，保證可用性，而get-tcp-ip接口只是維護靜態的tcp-server集羣IP，對於這些IP對應的tcp-server是否可用，是徹底不知情的，怎麼辦呢？

 

5、tcp-server狀態上報

get-tcp-ip接口怎麼知道tcp-server集羣中各臺服務器是否可用呢，tcp-server主動上報是一個潛在方案，若是某一個tcp-server掛了，則會終止上報，對於中止上報狀態的tcp-server，get-tcp-ip接口，將不返回給client相應的tcp-server的外網IP。

 

該設計的存在的問題？

誠然，狀態上報解決了tcp-server高可用的問題，但這個設計犯了一個「反向依賴」的耦合小錯誤：使得tcp-server要依賴於一個與自己業務無關的web-server。

 

6、tcp-server狀態拉取

更優的方案是：web-server經過「拉」的方式獲取各個tcp-server的狀態，而不是tcp-server經過「推」的方式上報本身的狀態。

 

這樣的話，每一個tcp-server都獨立與解耦，只需專一於資深的tcp業務功能便可。

 

高可用、負載均衡、擴展性等任務由get-tcp-ip的web-server專一來執行。

 

多說一句，將負載均衡實如今服務端，還有一個好處，能夠實現異構tcp-server的負載均衡，以及過載保護：

• 靜態實施：web-server下的多個tcp-server的IP能夠配置負載權重，根據tcp-server的機器配置分配負載（nginx也有相似的功能）

• 動態實施：web-server能夠根據「拉」回來的tcp-server的狀態，動態分配負載，並在tcp-server性能極具降低時實施過載保護

 

7、總結

web-server如何實施負載均衡？

利用nginx反向代理來輪詢、隨機、ip-hash。

 

tcp-server怎麼快速保證請求一致性？

單機。

 

如何保證高可用？

客戶配置多個tcp-server的域名。

 

如何防止DNS劫持，以及加速？

IP直通車，客戶端配置多個tcp-server的IP。

 

如何保證擴展性？

服務端提供get-tcp-ip接口，向client屏屏蔽負載均衡策略，並實施便捷擴容。

 

如何保證高可用？

tcp-server「推」狀態給get-tcp-ip接口，

or

get-tcp-ip接口「拉」tcp-server狀態。