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深入浅出负载均衡

vivo互联网技术
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一、负载均衡简介

1.1. 大型网站面临的挑战

大型网站都要面对庞大的用户量,高并发,海量数据等挑战。为了提升系统整体的性能,可以采用垂直扩展和水平扩展两种方式。

垂直扩展:在网站发展早期,可以从单机的角度通过增加硬件处理能力,比如 CPU 处理能力,内存容量,磁盘等方面,实现服务器处理能力的提升。但是,单机是有性能瓶颈的,一旦触及瓶颈,再想提升,付出的成本和代价会极高。这显然不能满足大型分布式系统(网站)所有应对的大流量,高并发,海量数据等挑战。

水平扩展:通过集群来分担大型网站的流量。集群中的应用服务器(节点)通常被设计成无状态,用户可以请求任何一个节点,这些节点共同分担访问压力。水平扩展有两个要点:

  • 应用集群:将同一应用部署到多台机器上,组成处理集群,接收负载均衡设备分发的请求,进行处理,并返回相应数据。
  • 负载均衡:将用户访问请求,通过某种算法,分发到集群中的节点。

1.2. 什么是负载均衡

负载均衡(Load Balance,简称 LB)是高并发、高可用系统必不可少的关键组件,目标是 尽力将网络流量平均分发到多个服务器上,以提高系统整体的响应速度和可用性。

负载均衡的主要作用如下:

高并发:负载均衡通过算法调整负载,尽力均匀的分配应用集群中各节点的工作量,以此提高应用集群的并发处理能力(吞吐量)。

伸缩性:添加或减少服务器数量,然后由负载均衡进行分发控制。这使得应用集群具备伸缩性。

高可用:负载均衡器可以监控候选服务器,当服务器不可用时,自动跳过,将请求分发给可用的服务器。这使得应用集群具备高可用的特性。

安全防护:有些负载均衡软件或硬件提供了安全性功能,如:黑白名单处理、防火墙,防 DDos 攻击等。

二、负载均衡的分类

支持负载均衡的技术很多,我们可以通过不同维度去进行分类。

2.1 载体维度分类

从支持负载均衡的载体来看,可以将负载均衡分为两类:硬件负载均衡、软件负载均衡

2.1.1硬件负载均衡

硬件负载均衡,一般是在定制处理器上运行的独立负载均衡服务器,价格昂贵,土豪专属。硬件负载均衡的主流产品有:F5 和 A10。

硬件负载均衡的 优点:

  • 功能强大:支持全局负载均衡并提供较全面的、复杂的负载均衡算法。
  • 性能强悍:硬件负载均衡由于是在专用处理器上运行,因此吞吐量大,可支持单机百万以上的并发。
  • 安全性高:往往具备防火墙,防 DDos 攻击等安全功能。

硬件负载均衡的 缺点:

  • 成本昂贵:购买和维护硬件负载均衡的成本都很高。
  • 扩展性差:当访问量突增时,超过限度不能动态扩容。

2.1.2 软件负载均衡

软件负载均衡,应用最广泛,无论大公司还是小公司都会使用。

软件负载均衡从软件层面实现负载均衡,一般可以在任何标准物理设备上运行。

软件负载均衡的 主流产品 有:Nginx、HAProxy、LVS

  • LVS 可以作为四层负载均衡器。其负载均衡的性能要优于 Nginx。
  • HAProxy 可以作为 HTTP 和 TCP 负载均衡器。
  • Nginx、HAProxy 可以作为四层或七层负载均衡器。

软件负载均衡的 优点:

  • 扩展性好:适应动态变化,可以通过添加软件负载均衡实例,动态扩展到超出初始容量的能力。
  • 成本低廉:软件负载均衡可以在任何标准物理设备上运行,降低了购买和运维的成本。

软件负载均衡的 缺点:

  • 性能略差:相比于硬件负载均衡,软件负载均衡的性能要略低一些。

2.2 网络通信分类

软件负载均衡从通信层面来看,又可以分为四层和七层负载均衡。

1) 七层负载均衡:就是可以根据访问用户的 HTTP 请求头、URL 信息将请求转发到特定的主机。

  • DNS 重定向
  • HTTP 重定向
  • 反向代理

2) 四层负载均衡:基于 IP 地址和端口进行请求的转发。

  • 修改 IP 地址
  • 修改 MAC 地址

2.2.1 DNS 负载均衡

DNS 负载均衡一般用于互联网公司,复杂的业务系统不适合使用。大型网站一般使用 DNS 负载均衡作为 第一级负载均衡手段,然后在内部使用其它方式做第二级负载均衡。DNS 负载均衡属于七层负载均衡。

DNS 即 域名解析服务,是 OSI 第七层网络协议。DNS 被设计为一个树形结构的分布式应用,自上而下依次为:根域名服务器,一级域名服务器,二级域名服务器,... ,本地域名服务器。显然,如果所有数据都存储在根域名服务器,那么 DNS 查询的负载和开销会非常庞大。

因此,DNS 查询相对于 DNS 层级结构,是一个逆向的递归流程,DNS 客户端依次请求本地 DNS 服务器,上一级 DNS 服务器,上上一级 DNS 服务器,... ,根 DNS 服务器(又叫权威 DNS 服务器),一旦命中,立即返回。为了减少查询次数,每一级 DNS 服务器都会设置 DNS 查询缓存。

DNS 负载均衡的工作原理就是:基于 DNS 查询缓存,按照负载情况返回不同服务器的 IP 地址。

DNS 重定向的 优点:

使用简单:负载均衡工作,交给 DNS 服务器处理,省掉了负载均衡服务器维护的麻烦

提高性能:可以支持基于地址的域名解析,解析成距离用户最近的服务器地址(类似 CDN 的原理),可以加快访问速度,改善性能;

DNS 重定向的 缺点:

可用性差:DNS 解析是多级解析,新增/修改 DNS 后,解析时间较长;解析过程中,用户访问网站将失败;

扩展性低:DNS 负载均衡的控制权在域名商那里,无法对其做更多的改善和扩展;

维护性差:也不能反映服务器的当前运行状态;支持的算法少;不能区分服务器的差异(不能根据系统与服务的状态来判断负载)。

2.2.2 HTTP 负载均衡

HTTP 负载均衡是基于 HTTP 重定向实现的。HTTP 负载均衡属于七层负载均衡。

HTTP 重定向原理是:根据用户的 HTTP 请求计算出一个真实的服务器地址,将该服务器地址写入 HTTP 重定向响应中,返回给浏览器,由浏览器重新进行访问。

HTTP 重定向的优点:方案简单。

HTTP 重定向的 缺点:

性能较差:每次访问需要两次请求服务器,增加了访问的延迟。

降低搜索排名:使用重定向后,搜索引擎会视为 SEO 作弊。

如果负载均衡器宕机,就无法访问该站点。

由于其缺点比较明显,所以这种负载均衡策略实际应用较少。

2.2.3 反向代理负载均衡

反向代理(Reverse Proxy)方式是指以 代理服务器 来接受网络请求,然后 将请求转发给内网中的服务器,并将从内网中的服务器上得到的结果返回给网络请求的客户端。反向代理负载均衡属于七层负载均衡。

反向代理服务的主流产品:Nginx、Apache

正向代理与反向代理有什么区别?

正向代理:发生在 客户端,是由用户主动发起的。翻墙软件就是典型的正向代理,客户端通过主动访问代理服务器,让代理服务器获得需要的外网数据,然后转发回客户端。

反向代理:发生在 服务端,用户不知道代理的存在。

反向代理是如何实现负载均衡的呢?以 Nginx 为例,如下所示:

首先,在代理服务器上设定好负载均衡规则。然后,当收到客户端请求,反向代理服务器拦截指定的域名或 IP 请求,根据负载均衡算法,将请求分发到候选服务器上。其次,如果某台候选服务器宕机,反向代理服务器会有容错处理,比如分发请求失败 3 次以上,将请求分发到其他候选服务器上。

反向代理的 优点:

  1. 多种负载均衡算法:支持多种负载均衡算法,以应对不同的场景需求。
  2. 可以监控服务器:基于 HTTP 协议,可以监控转发服务器的状态,如:系统负载、响应时间、是否可用、连接数、流量等,从而根据这些数据调整负载均衡的策略。

反向代理的 缺点:

  1. 额外的转发开销:反向代理的转发操作本身是有性能开销的,可能会包括创建连接,等待连接响应,分析响应结果等操作。
  2. 增加系统复杂度:反向代理常用于做分布式应用的水平扩展,但反向代理服务存在以下问题,为了解决以下问题会给系统整体增加额外的复杂度和运维成本:
  • 反向代理服务如果自身宕机,就无法访问站点,所以需要有 高可用 方案,常见的方案有:主备模式(一主一备)、双主模式(互为主备)。
  • 反向代理服务自身也存在性能瓶颈,随着需要转发的请求量不断攀升,需要有 可扩展 方案。

2.2.4 IP负载均衡

IP 负载均衡是在网络层通过修改请求目的地址进行负载均衡。

如上图所示,IP 均衡处理流程大致为:

客户端请求 192.168.137.10,由负载均衡服务器接收到报文。

负载均衡服务器根据算法选出一个服务节点 192.168.0.1,然后将报文请求地址改为该节点的 IP。

真实服务节点收到请求报文,处理后,返回响应数据到负载均衡服务器。

负载均衡服务器将响应数据的源地址改负载均衡服务器地址,返回给客户端。

IP 负载均衡在内核进程完成数据分发,较反向代理负载均衡有更好的从处理性能。但是,由于所有请求响应都要经过负载均衡服务器,集群的吞吐量受制于负载均衡服务器的带宽。

2.2.5 数据链路层负载均衡

数据链路层负载均衡是指在通信协议的数据链路层修改 mac 地址进行负载均衡。

在 Linux 平台上最好的链路层负载均衡开源产品是 LVS (Linux Virtual Server)。LVS 是基于 Linux 内核中 netfilter 框架实现的负载均衡系统。netfilter 是内核态的 Linux 防火墙机制,可以在数据包流经过程中,根据规则设置若干个关卡(hook 函数)来执行相关的操作。

LVS 的工作流程大致如下:

当用户访问 www.sina.com.cn 时,用户数据通过层层网络,最后通过交换机进入 LVS 服务器网卡,并进入内核网络层。

进入 PREROUTING 后经过路由查找,确定访问的目的 VIP 是本机 IP 地址,所以数据包进入到 INPUT 链上

IPVS 是工作在 INPUT 链上,会根据访问的 vip+port 判断请求是否 IPVS 服务,如果是则调用注册的 IPVS HOOK 函数,进行 IPVS 相关主流程,强行修改数据包的相关数据,并将数据包发往 POSTROUTING 链上。

POSTROUTING 上收到数据包后,根据目标 IP 地址(后端服务器),通过路由选路,将数据包最终发往后端的服务器上。

开源 LVS 版本有 3 种工作模式,每种模式工作原理截然不同,说各种模式都有自己的优缺点,分别适合不同的应用场景,不过最终本质的功能都是能实现均衡的流量调度和良好的扩展性。主要包括三种模式:DR 模式、NAT 模式、Tunnel 模式。

三、负载均衡算法

负载均衡器的实现可以分为两个部分:

根据负载均衡算法在候选服务器列表选出一个服务器;

将请求数据发送到该服务器上。

负载均衡算法是负载均衡服务核心中的核心。负载均衡产品多种多样,但是各种负载均衡算法原理是共性的。负载均衡算法有很多种,分别适用于不同的应用场景,本文仅介绍最为常见的负载均衡算法的特性及原理:轮询、随机、最小活跃数、源地址哈希、一致性哈希

:负载均衡算法的实现,推荐阅读 Dubbo 官方负载均衡算法说明 ,源码讲解非常详细,非常值得借鉴。

3.1 随机

3.1.1 随机算法

随机(Random) 算法将请求随机分发到候选服务器。

随机算法 适合服务器硬件相同的场景。学习过概率论的都知道,调用量较小的时候,可能负载并不均匀,调用量越大,负载越均衡。

【示例】随机算法实现示例

负载均衡接口

public interface LoadBalance<N extends Node> {

    N select(List<N> nodes, String ip);

}

负载均衡抽象类

public abstract class BaseLoadBalance<N extends Node> implements LoadBalance<N> {
​
    @Override
    public N select(List<N> nodes, String ip) {
        if (CollectionUtil.isEmpty(nodes)) {
            return null;
        }
​
        // 如果 nodes 列表中仅有一个 node,直接返回即可,无需进行负载均衡
        if (nodes.size() == 1) {
            return nodes.get(0);
        }
​
        return doSelect(nodes, ip);
    }
​
    protected abstract N doSelect(List<N> nodes, String ip);
​
}

服务器节点类

public class Node implements Comparable<Node> {
​
    protected String url;
​
    protected Integer weight;
​
    protected Integer active;
​
    // ...
}

随机算法实现

public class RandomLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    private final Random random = new Random();
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
        // 在列表中随机选取一个节点
        int index = random.nextInt(nodes.size());
        return nodes.get(index);
    }
​
}

3.1.2 加权随机算法

加权随机(Weighted Random) 算法在随机算法的基础上,按照概率调整权重,进行负载分配。

【示例】加权随机算法实现示例

public class WeightRandomLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    private final Random random = ThreadLocalRandom.current();
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
​
        int length = nodes.size();
        AtomicInteger totalWeight = new AtomicInteger(0);
        for (N node : nodes) {
            Integer weight = node.getWeight();
            totalWeight.getAndAdd(weight);
        }
​
        if (totalWeight.get() > 0) {
            int offset = random.nextInt(totalWeight.get());
            for (N node : nodes) {
                // 让随机值 offset 减去权重值
                offset -= node.getWeight();
                if (offset < 0) {
                    // 返回相应的 Node
                    return node;
                }
            }
        }
​
        // 直接随机返回一个
        return nodes.get(random.nextInt(length));
    }
​
}

3.2 轮询

3.2.1 轮询算法

轮询(Round Robin)算法的策略是:将请求依次分发到候选服务器。

如下图所示,负载均衡器收到来自客户端的 6 个请求,(1, 3, 5) 的请求会被发送到服务器 1,(2, 4, 6) 的请求会被发送到服务器 2。

该算法适合场景:各服务器处理能力相近,且每个事务工作量差异不大。如果存在较大差异,那么处理较慢的服务器就可能会积压请求,最终无法承担过大的负载。

【示例】轮询算法示例

轮询负载均衡算法实现

public class RoundRobinLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    private final AtomicInteger position = new AtomicInteger(0);
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
        int length = nodes.size();
        // 如果位置值已经等于节点数,重置为 0
        position.compareAndSet(length, 0);
        N node = nodes.get(position.get());
        position.getAndIncrement();
        return node;
    }
​
}

3.2.2 加权轮询算法

加权轮询(Weighted Round Robbin)算法在轮询算法的基础上,增加了权重属性来调节转发服务器的请求数目。性能高、处理速度快的节点应该设置更高的权重,使得分发时优先将请求分发到权重较高的节点上。

如下图所示,服务器 A 设置权重为 5,服务器 B 设置权重为 1,负载均衡器收到来自客户端的 6 个请求,那么 (1, 2, 3, 4, 5) 请求会被发送到服务器 A,(6) 请求会被发送到服务器 B。

【示例】加权轮询算法实现示例

以下实现基于 Dubbo 加权轮询算法做了一些简化。

public class WeightRoundRobinLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    /**
     * 60秒
     */
    private static final int RECYCLE_PERIOD = 60000;
​
    /**
     * Node hashcode 到 WeightedRoundRobin 的映射关系
     */
    private ConcurrentMap<Integer, WeightedRoundRobin> weightMap = new ConcurrentHashMap<>();
​
    /**
     * 原子更新锁
     */
    private AtomicBoolean updateLock = new AtomicBoolean();
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
​
        int totalWeight = 0;
        long maxCurrent = Long.MIN_VALUE;
​
        // 获取当前时间
        long now = System.currentTimeMillis();
        N selectedNode = null;
        WeightedRoundRobin selectedWRR = null;
​
        // 下面这个循环主要做了这样几件事情:
        //   1. 遍历 Node 列表,检测当前 Node 是否有相应的 WeightedRoundRobin,没有则创建
        //   2. 检测 Node 权重是否发生了变化,若变化了,则更新 WeightedRoundRobin 的 weight 字段
        //   3. 让 current 字段加上自身权重,等价于 current += weight
        //   4. 设置 lastUpdate 字段,即 lastUpdate = now
        //   5. 寻找具有最大 current 的 Node,以及 Node 对应的 WeightedRoundRobin,
        //      暂存起来,留作后用
        //   6. 计算权重总和
        for (N node : nodes) {
            int hashCode = node.hashCode();
            WeightedRoundRobin weightedRoundRobin = weightMap.get(hashCode);
            int weight = node.getWeight();
            if (weight < 0) {
                weight = 0;
            }
​
            // 检测当前 Node 是否有对应的 WeightedRoundRobin,没有则创建
            if (weightedRoundRobin == null) {
                weightedRoundRobin = new WeightedRoundRobin();
                // 设置 Node 权重
                weightedRoundRobin.setWeight(weight);
                // 存储 url 唯一标识 identifyString 到 weightedRoundRobin 的映射关系
                weightMap.putIfAbsent(hashCode, weightedRoundRobin);
                weightedRoundRobin = weightMap.get(hashCode);
            }
            // Node 权重不等于 WeightedRoundRobin 中保存的权重,说明权重变化了,此时进行更新
            if (weight != weightedRoundRobin.getWeight()) {
                weightedRoundRobin.setWeight(weight);
            }
​
            // 让 current 加上自身权重,等价于 current += weight
            long current = weightedRoundRobin.increaseCurrent();
            // 设置 lastUpdate,表示近期更新过
            weightedRoundRobin.setLastUpdate(now);
            // 找出最大的 current
            if (current > maxCurrent) {
                maxCurrent = current;
                // 将具有最大 current 权重的 Node 赋值给 selectedNode
                selectedNode = node;
                // 将 Node 对应的 weightedRoundRobin 赋值给 selectedWRR,留作后用
                selectedWRR = weightedRoundRobin;
            }
​
            // 计算权重总和
            totalWeight += weight;
        }
​
        // 对 weightMap 进行检查,过滤掉长时间未被更新的节点。
        // 该节点可能挂了,nodes 中不包含该节点,所以该节点的 lastUpdate 长时间无法被更新。
        // 若未更新时长超过阈值后,就会被移除掉,默认阈值为60秒。
        if (!updateLock.get() && nodes.size() != weightMap.size()) {
            if (updateLock.compareAndSet(false, true)) {
                try {
                    // 遍历修改,即移除过期记录
                    weightMap.entrySet().removeIf(item -> now - item.getValue().getLastUpdate() > RECYCLE_PERIOD);
                } finally {
                    updateLock.set(false);
                }
            }
        }
​
        if (selectedNode != null) {
            // 让 current 减去权重总和,等价于 current -= totalWeight
            selectedWRR.decreaseCurrent(totalWeight);
            // 返回具有最大 current 的 Node
            return selectedNode;
        }
​
        // should not happen here
        return nodes.get(0);
    }
​
    protected static class WeightedRoundRobin {
​
        // 服务提供者权重
        private int weight;
        // 当前权重
        private AtomicLong current = new AtomicLong(0);
        // 最后一次更新时间
        private long lastUpdate;
​
        public long increaseCurrent() {
            // current = current + weight;
            return current.addAndGet(weight);
        }
​
        public long decreaseCurrent(int total) {
            // current = current - total;
            return current.addAndGet(-1 * total);
        }
​
        public int getWeight() {
            return weight;
        }
​
        public void setWeight(int weight) {
            this.weight = weight;
            // 初始情况下,current = 0
            current.set(0);
        }
​
        public AtomicLong getCurrent() {
            return current;
        }
​
        public void setCurrent(AtomicLong current) {
            this.current = current;
        }
​
        public long getLastUpdate() {
            return lastUpdate;
        }
​
        public void setLastUpdate(long lastUpdate) {
            this.lastUpdate = lastUpdate;
        }
​
    }
​
}

3.3 最小活跃数

最小活跃数(Least Active)算法 将请求分发到连接数/请求数最少的候选服务器(目前处理请求最少的服务器)。

  • 特点:根据候选服务器当前的请求连接数,动态分配。
  • 场景:适用于对系统负载较为敏感或请求连接时长相差较大的场景。

由于每个请求的连接时长不一样,如果采用简单的轮循或随机算法,都可能出现某些服务器当前连接数过大,而另一些服务器的连接过小的情况,这就造成了负载并非真正均衡。虽然,轮询或算法都可以通过加权重属性的方式进行负载调整,但加权方式难以应对动态变化。

例如下图中,(1, 3, 5) 请求会被发送到服务器 1,但是 (1, 3) 很快就断开连接,此时只有 (5) 请求连接服务器 1;(2, 4, 6) 请求被发送到服务器 2,只有 (2) 的连接断开。该系统继续运行时,服务器 2 会承担过大的负载。

最小活跃数算法会记录当前时刻,每个候选节点正在处理的连接数,然后选择连接数最小的节点。该策略能够动态、实时地反应服务器的当前状况,较为合理地将负责分配均匀,适用于对当前系统负载较为敏感的场景。

例如下图中,服务器 1 当前连接数最小,那么新到来的请求 6 就会被发送到服务器 1 上。

加权最小活跃数(Weighted Least Connection)在最小活跃数的基础上,根据服务器的性能为每台服务器分配权重,再根据权重计算出每台服务器能处理的连接数。

最小活跃数算法实现要点:活跃调用数越小,表明该服务节点处理能力越高,单位时间内可处理更多的请求,应优先将请求分发给该服务。在具体实现中,每个服务节点对应一个活跃数 active。初始情况下,所有服务提供者活跃数均为 0。每收到一个请求,活跃数加 1,完成请求后则将活跃数减 1。在服务运行一段时间后,性能好的服务提供者处理请求的速度更快,因此活跃数下降的也越快,此时这样的服务提供者能够优先获取到新的服务请求、这就是最小活跃数负载均衡算法的基本思想。

【示例】最小活跃数算法实现

以下实现基于 Dubbo 最小活跃数负载均衡算法做了些许改动。

public class LeastActiveLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    private final Random random = new Random();
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
        int length = nodes.size();
        // 最小的活跃数
        int leastActive = -1;
        // 具有相同“最小活跃数”的服务者提供者(以下用 Node 代称)数量
        int leastCount = 0;
        // leastIndexs 用于记录具有相同“最小活跃数”的 Node 在 nodes 列表中的下标信息
        int[] leastIndexs = new int[length];
        int totalWeight = 0;
        // 第一个最小活跃数的 Node 权重值,用于与其他具有相同最小活跃数的 Node 的权重进行对比,
        // 以检测是否“所有具有相同最小活跃数的 Node 的权重”均相等
        int firstWeight = 0;
        boolean sameWeight = true;
​
        // 遍历 nodes 列表
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            N node = nodes.get(i);
            // 发现更小的活跃数,重新开始
            if (leastActive == -1 || node.getActive() < leastActive) {
                // 使用当前活跃数更新最小活跃数 leastActive
                leastActive = node.getActive();
                // 更新 leastCount 为 1
                leastCount = 1;
                // 记录当前下标值到 leastIndexs 中
                leastIndexs[0] = i;
                totalWeight = node.getWeight();
                firstWeight = node.getWeight();
                sameWeight = true;
​
                // 当前 Node 的活跃数 node.getActive() 与最小活跃数 leastActive 相同
            } else if (node.getActive() == leastActive) {
                // 在 leastIndexs 中记录下当前 Node 在 nodes 集合中的下标
                leastIndexs[leastCount++] = i;
                // 累加权重
                totalWeight += node.getWeight();
                // 检测当前 Node 的权重与 firstWeight 是否相等,
                // 不相等则将 sameWeight 置为 false
                if (sameWeight && i > 0
                    && node.getWeight() != firstWeight) {
                    sameWeight = false;
                }
            }
        }
​
        // 当只有一个 Node 具有最小活跃数,此时直接返回该 Node 即可
        if (leastCount == 1) {
            return nodes.get(leastIndexs[0]);
        }
​
        // 有多个 Node 具有相同的最小活跃数,但它们之间的权重不同
        if (!sameWeight && totalWeight > 0) {
            // 随机生成一个 [0, totalWeight) 之间的数字
            int offsetWeight = random.nextInt(totalWeight);
            // 循环让随机数减去具有最小活跃数的 Node 的权重值,
            // 当 offset 小于等于0时,返回相应的 Node
            for (int i = 0; i < leastCount; i++) {
                int leastIndex = leastIndexs[i];
                // 获取权重值,并让随机数减去权重值
                offsetWeight -= nodes.get(leastIndex).getWeight();
                if (offsetWeight <= 0) {
                    return nodes.get(leastIndex);
                }
            }
        }
        // 如果权重相同或权重为0时,随机返回一个 Node
        return nodes.get(leastIndexs[random.nextInt(leastCount)]);
    }
​
}

3.4 源地址哈希

源地址哈希(IP Hash)算法 根据请求源 IP,通过哈希计算得到一个数值,用该数值在候选服务器列表的进行取模运算,得到的结果便是选中的服务器。

可以保证同一 IP 的客户端的请求会转发到同一台服务器上,用来实现会话粘滞(Sticky Session)。

特点:保证特定用户总是请求到相同的服务器,若服务器宕机,会话会丢失。

【示例】源地址哈希算法实现示例

public class IpHashLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
        if (StrUtil.isBlank(ip)) {
            ip = "127.0.0.1";
        }
​
        int length = nodes.size();
        int index = hash(ip) % length;
        return nodes.get(index);
    }
​
    public int hash(String text) {
        return HashUtil.fnvHash(text);
    }
​
}

3.5 一致性哈希

一致性哈希(Consistent Hash)算法的目标是:相同的请求尽可能落到同一个服务器上。

一致性哈希 可以很好的解决 稳定性问题,可以将所有的 存储节点 排列在 首尾相接 的 Hash 环上,每个 key 在计算 Hash 后会 顺时针 找到 临接 的 存储节点 存放。而当有节点 加入 或 退出 时,仅影响该节点在 Hash环上顺时针相邻的后续节点。

1)相同的请求是指:一般在使用一致性哈希时,需要指定一个 key 用于 hash 计算,可能是:

用户 ID

请求方 IP

请求服务名称,参数列表构成的串

2)尽可能是指:服务器可能发生上下线,少数服务器的变化不应该影响大多数的请求。

当某台候选服务器宕机时,原本发往该服务器的请求,会基于虚拟节点,平摊到其它候选服务器,不会引起剧烈变动。

优点:加入 和 删除 节点只影响 哈希环 中 顺时针方向 的 相邻的节点,对其他节点无影响。

缺点:加减节点 会造成 哈希环 中部分数据 无法命中。当使用 少量节点 时,节点变化 将大范围影响 哈希环 中 数据映射,不适合 少量数据节点 的分布式方案。普通 的 一致性哈希分区 在增减节点时需要 增加一倍 或 减去一半 节点才能保证 数据 和 负载的均衡。

注意:因为 一致性哈希分区 的这些缺点,一些分布式系统采用 虚拟槽 对 一致性哈希 进行改进,比如 Dynamo 系统。

【示例】一致性哈希算法示例

public class ConsistentHashLoadBalance<N extends Node> extends BaseLoadBalance<N> implements LoadBalance<N> {
​
    private final ConcurrentMap<String, ConsistentHashSelector<?>> selectors = new ConcurrentHashMap<>();
​
    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    protected N doSelect(List<N> nodes, String ip) {
        // 分片数,这里设为节点数的 4 倍
        Integer replicaNum = nodes.size() * 4;
        // 获取 nodes 原始的 hashcode
        int identityHashCode = System.identityHashCode(nodes);
​
        // 如果 nodes 是一个新的 List 对象,意味着节点数量发生了变化
        // 此时 selector.identityHashCode != identityHashCode 条件成立
        ConsistentHashSelector<N> selector = (ConsistentHashSelector<N>) selectors.get(ip);
        if (selector == null || selector.identityHashCode != identityHashCode) {
            // 创建新的 ConsistentHashSelector
            selectors.put(ip, new ConsistentHashSelector<>(nodes, identityHashCode, replicaNum));
            selector = (ConsistentHashSelector<N>) selectors.get(ip);
        }
        // 调用 ConsistentHashSelector 的 select 方法选择 Node
        return selector.select(ip);
    }
​
    /**
     * 一致性哈希选择器
     */
    private static final class ConsistentHashSelector<N extends Node> {
​
        /**
         * 存储虚拟节点
         */
        private final TreeMap<Long, N> virtualNodes;
​
        private final int identityHashCode;
​
        /**
         * 构造器
         *
         * @param nodes            节点列表
         * @param identityHashCode hashcode
         * @param replicaNum       分片数
         */
        ConsistentHashSelector(List<N> nodes, int identityHashCode, Integer replicaNum) {
            this.virtualNodes = new TreeMap<>();
            this.identityHashCode = identityHashCode;
            // 获取虚拟节点数,默认为 100
            if (replicaNum == null) {
                replicaNum = 100;
            }
            for (N node : nodes) {
                for (int i = 0; i < replicaNum / 4; i++) {
                    // 对 url 进行 md5 运算,得到一个长度为16的字节数组
                    byte[] digest = md5(node.getUrl());
                    // 对 digest 部分字节进行 4 次 hash 运算,得到四个不同的 long 型正整数
                    for (int j = 0; j < 4; j++) {
                        // h = 0 时,取 digest 中下标为 0 ~ 3 的4个字节进行位运算
                        // h = 1 时,取 digest 中下标为 4 ~ 7 的4个字节进行位运算
                        // h = 2, h = 3 时过程同上
                        long m = hash(digest, j);
                        // 将 hash 到 node 的映射关系存储到 virtualNodes 中,
                        // virtualNodes 需要提供高效的查询操作,因此选用 TreeMap 作为存储结构
                        virtualNodes.put(m, node);
                    }
                }
            }
        }
​
        public N select(String key) {
            // 对参数 key 进行 md5 运算
            byte[] digest = md5(key);
            // 取 digest 数组的前四个字节进行 hash 运算,再将 hash 值传给 selectForKey 方法,
            // 寻找合适的 Node
            return selectForKey(hash(digest, 0));
        }
​
        private N selectForKey(long hash) {
            // 查找第一个大于或等于当前 hash 的节点
            Map.Entry<Long, N> entry = virtualNodes.ceilingEntry(hash);
            // 如果 hash 大于 Node 在哈希环上最大的位置,此时 entry = null,
            // 需要将 TreeMap 的头节点赋值给 entry
            if (entry == null) {
                entry = virtualNodes.firstEntry();
            }
            // 返回 Node
            return entry.getValue();
        }
​
    }
​
    /**
     * 计算 hash 值
     */
    public static long hash(byte[] digest, int number) {
        return (((long) (digest[3 + number * 4] & 0xFF) << 24)
            | ((long) (digest[2 + number * 4] & 0xFF) << 16)
            | ((long) (digest[1 + number * 4] & 0xFF) << 8)
            | (digest[number * 4] & 0xFF))
            & 0xFFFFFFFFL;
    }
​
    /**
     * 计算 MD5 值
     */
    public static byte[] md5(String value) {
        MessageDigest md5;
        try {
            md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalStateException(e.getMessage(), e);
        }
        md5.reset();
        byte[] bytes = value.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        md5.update(bytes);
        return md5.digest();
    }
​
}

以上示例基于 Dubbo 的一致性哈希负载均衡算法做了一些简化。

四、参考资料

1. Comparing Load Balancing Algorithms

2. 《大型网站技术架构:核心原理与案例分析》

3. 大型网站架构系列:负载均衡详解(1)

4. 什么是负载均衡

5. What Is Load Balancing

6. Dubbo 官方负载均衡算法说明

7. 负载均衡算法及手段

8. 利用 dns 解析来实现网站的负载均衡

作者:vivo互联网团队-Zhang Peng
阅读 320

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