關於負載均衡的一切：總結與思考

古人云，不患寡而患不均。

在計算機的世界，這就是你們耳熟能詳的負載均衡（load balancing），所謂負載均衡，就是說若是一組計算機節點（或者一組進程）提供相同的（同質的）服務，那麼對服務的請求就應該均勻的分攤到這些節點上。負載均衡的前提必定是「provide a single Internet service from multiple servers」， 這些提供服務的節點被稱之爲server farm、server pool或者backend servers。

這裏的服務是廣義的，能夠是簡單的計算，也多是數據的讀取或者存儲。負載均衡也不是新事物，這種思想在多核CPU時代就有了，只不過在分佈式系統中，負載均衡更是無處不在，這是分佈式系統的自然特性決定的，分佈式就是利用大量計算機節點完成單個計算機沒法完成的計算、存儲服務，既然有大量計算機節點，那麼均衡的調度就很是重要。

負載均衡的意義在於，讓全部節點以最小的代價、最好的狀態對外提供服務，這樣系統吞吐量最大，性能更高，對於用戶而言請求的時間也更小。並且，負載均衡加強了系統的可靠性，最大化下降了單個節點過載、甚至crash的機率。不難想象，若是一個系統絕大部分請求都落在同一個節點上，那麼這些請求響應時間都很慢，並且萬一節點降級或者崩潰，那麼全部請求又會轉移到下一個節點，形成雪崩。

事實上，網上有不少文章介紹負載均衡的算法，大多都是大同小異。本文更多的是本身對這些算法的總結與思考。

一分鐘瞭解負載均衡的一切

本章節的標題和內容都來自一分鐘瞭解負載均衡的一切這一篇文章。固然，原文的標題是誇張了點，不過文中列出了在一個大型web網站中各層是如何用到負載均衡的，一目瞭然。

常見互聯網分佈式架構如上，分爲客戶端層、反向代理nginx層、站點層、服務層、數據層。能夠看到，每個下游都有多個上游調用，只須要作到，每個上游都均勻訪問每個下游，就能實現「將請求/數據【均勻】分攤到多個操做單元上執行」。

(1)【客戶端層】到【反向代理層】的負載均衡，是經過「DNS輪詢」實現的；

(2)【反向代理層】到【站點層】的負載均衡，是經過「nginx」實現的；

(3)【站點層】到【服務層】的負載均衡，是經過「服務鏈接池」實現的；

(4)【數據層】的負載均衡，要考慮「數據的均衡」與「請求的均衡」兩個點，常見的方式有「按照範圍水平切分」與「hash水平切分」。

數據層的負載均衡，在我以前的《帶着問題學習分佈式系統之數據分片》中有詳細介紹。

算法衡量

在我看來，當咱們提到一個負載均衡算法，或者具體的應用場景時，應該考慮如下問題：

第一，是否意識到不一樣節點的服務能力是不同的，好比CPU、內存、網絡、地理位置；

第二，是否意識到節點的服務能力是動態變化的，高配的機器也有可能因爲一些突發緣由致使處理速度變得很慢；

第三，是否考慮將同一個客戶端，或者說一樣的請求分發到同一個處理節點，這對於「有狀態」的服務很是重要，好比session，好比分佈式存儲；

第四，誰來負責負載均衡，即誰充當負載均衡器（load balancer），balancer自己是否會成爲瓶頸。

下面會結合具體的算法來考慮這些問題。

負載均衡算法

輪詢算法（round-robin）

思想很簡單，就是提供同質服務的節點逐個對外提供服務，這樣能作到絕對的均衡。Python示例代碼以下：

 

能夠看到，全部的節點都是以一樣的機率提供服務，即沒有考慮到節點的差別，也許一樣數目的請求，高配的機器CPU才20%，低配的機器CPU已經80%了。

加權輪詢算法（weight round-robin）

加權輪訓算法就是在輪訓算法的基礎上，考慮到機器的差別性，分配給機器不一樣的權重，能者多勞。注意，這個權重的分配依賴於請求的類型，好比計算密集型，那就考慮CPU、內存；若是是IO密集型，那就考慮磁盤性能。Python示例代碼以下：

 

隨機算法（random）

這個就更好理解了，隨機選擇一個節點服務，按照機率，只要請求數量足夠多，那麼也能達到絕對均衡的效果。並且實現簡單不少

 

加權隨機算法（random）

如同加權輪訓算法至於輪訓算法同樣，也是在隨機的時候引入不一樣節點的權重，實現也很相似。

 

固然，若是節點列表以及權重變化不大，那麼也能夠對全部節點歸一化，而後按機率區間選擇：

 

哈希法（hash）

根據客戶端的IP，或者請求的「Key」，計算出一個hash值，而後對節點數目取模。好處就是，同一個請求可以分配到一樣的服務節點，這對於「有狀態」的服務頗有必要：

 

只要hash結果足夠分散，也是能作到絕對均衡的。

一致性哈希

哈希算法的缺陷也很明顯，當節點的數目發生變化的時候，請求會大機率分配到其餘的節點，引起到一系列問題，好比sticky session。並且在某些狀況，好比分佈式存儲，是絕對的不容許的。

爲了解決這個哈希算法的問題，又引入了一致性哈希算法，簡單來講，一個物理節點與多個虛擬節點映射，在hash的時候，使用虛擬節點數目而不是物理節點數目。當物理節點變化的時候，虛擬節點的數目無需變化，只涉及到虛擬節點的從新分配。並且，調整每一個物理節點對應的虛擬節點數目，也就至關於每一個物理節點有不一樣的權重。

最少鏈接算法（least connection）

以上的諸多算法，要麼沒有考慮到節點間的差別（輪訓、隨機、哈希），要麼節點間的權重是靜態分配的（加權輪訓、加權隨機、一致性hash）。

考慮這麼一種狀況，某臺機器出現故障，沒法及時處理請求，但新的請求仍是會以必定的機率源源不斷的分配到這個節點，形成請求的積壓。所以，根據節點的真實負載，動態地調整節點的權重就很是重要。固然，要得到接節點的真實負載也不是一律而論的事情，如何定義負載，負載的收集是否及時，這都是須要考慮的問題。

每一個節點當前的鏈接數目是一個很是容易收集的指標，所以lease connection是最常被人提到的算法。也有一些側重不一樣或者更復雜、更客觀的指標，好比最小響應時間（least response time）、最小活躍數（least active）等等。

一點思考

有狀態的請求　　

首先來看看「算法衡量」中提到的第三個問題：同一個請求是否分發到一樣的服務節點，同一個請求指的是同一個用戶或者一樣的惟一標示。何時同一請求最好（必須）分發到一樣的服務節點呢？那就是有狀態 -- 請求依賴某些存在於內存或者磁盤的數據，好比web請求的session，好比分佈式存儲。怎麼實現呢，有如下幾種辦法：

（1）請求分發的時候，保證同一個請求分發到一樣的服務節點

這個依賴於負載均衡算法，好比簡單的輪訓，隨機確定是不行的，哈希法在節點增刪的時候也會失效。可行的是一致性hash，以及分佈式存儲中的按範圍分段（即記錄哪些請求由哪一個服務節點提供服務），代價是須要在load balancer中維護額外的數據。

（2）狀態數據在backend servers之間共享

保證同一個請求分發到一樣的服務節點，這個只是手段，目的是請求能使用到對應的狀態數據。若是狀態數據可以在服務節點之間共享，那麼也能達到這個目的。好比服務節點鏈接到共享數據庫，或者內存數據庫如memcached

（3）狀態數據維護在客戶端

這個在web請求中也有使用，即cookie，不過要考慮安全性，須要加密。

關於load balancer

接下來回答第四個問題：關於load balancer，其實就是說，在哪裏作負載均衡，是客戶端仍是服務端，是請求的發起者仍是請求的3。具體而言，要麼是在客戶端，根據服務節點的信息自行選擇，而後將請求直接發送到選中的服務節點；要麼是在服務節點集羣以前放一個集中式代理（proxy），由代理負責請求求分發。無論哪種，至少都須要知道當前的服務節點列表這一基礎信息。

若是在客戶端實現負載均衡，客戶端首先得知道服務器列表，要麼是靜態配置，要麼有簡單接口查詢，但backend server的詳細負載信息，就不適用經過客戶端來查詢。所以，客戶端的負載均衡算法要麼是比較簡單的，好比輪訓（加權輪訓）、隨機（加權隨機）、哈希這幾種算法，只要每一個客戶端足夠隨機，按照大數定理，服務節點的負載也是均衡的。要在客戶端使用較爲複雜的算法，好比根據backend的實際負載，那麼就須要去額外的負載均衡服務（external load balancing service）查詢到這些信息，在grpc中，就是使用的這種辦法。

能夠看到，load balancer與grpc server通訊，得到grpc server的負載等具體詳細，而後grpc client從load balancer獲取這些信息，最終grpc client直連到被選擇的grpc server。

而基於Proxy的方式是更爲常見的，好比7層的Nginx，四層的F五、LVS，既有硬件路由，也有軟件分發。集中式的特色在於方便控制，並且能容易實現一些更精密，更復雜的算法。但缺點也很明顯，一來負載均衡器自己可能成爲性能瓶頸；二來可能引入額外的延遲，請求必定先發到達負載均衡器，而後到達真正的服務節點。

load balance proxy對於請求的響應（response），要麼不通過proxy，如LVS；要麼通過Proxy，如Nginx。下圖是LVS示意圖（來源見水印）

而若是response也是走load balancer proxy的話，那麼整個服務過程對客戶端而言就是徹底透明的，也防止了客戶端去嘗試鏈接後臺服務器，提供了一層安全保障！

值得注意的是，load balancer proxy不能成爲單點故障（single point of failure），所以通常會設計爲高可用的主從結構

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