系统设计学习笔记之集群

一、负载均衡

集群中的应用服务器通常被设计成无状态,用户可以请求任何一个节点(应用服务器)。

负载均衡器会根据集群中每个节点的负载情况,将用户请求转发到合适的节点上。

负载均衡器可以用来实现高可用以及伸缩性:

  • 高可用:当某个节点故障时,负载均衡器不会将用户请求转发到该节点上,从而保证所有服务持续可用;
  • 伸缩性:可以很容易地添加移除节点。

负载均衡运行过程包含两个部分:

  • 根据负载均衡算法得到应该将请求转发到哪个节点上;
  • 将请求进行转发;

算法实现

1. 轮询(Round Robin)

轮询算法把每个请求轮流发送到每个服务器上。下图中,一共有 6 个客户端产生了 6 个请求,这 6 个请求按 (1, 2, 3, 4, 5, 6) 的顺序发送。最后,(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。

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该算法比较适合每个服务器的性能差不多的场景,如果有性能存在差异的情况下,那么性能较差的服务器可能无法承担过大的负载(下图的 Server 2)。

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2. 加权轮询(Weighted Round Robbin)

加权轮询是在轮询的基础上,根据服务器的性能差异,为服务器赋予一定的权值,性能高的服务器分配更高的权值。例如下图中,服务器 1 被赋予的权值为 5,服务器 2 被赋予的权值为 1,那么 (1, 2, 3, 4, 5) 请求会被发送到服务器 1,(6) 请求会被发送到服务器 2。

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3. 最少连接(least Connections)

由于每个请求的连接时间不一样,使用轮询或者加权轮询算法的话,可能会让一台服务器当前连接数过大,而另一台服务器的连接过小,造成负载不均衡。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。

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最少连接算法就是将请求发送给当前最少连接数的服务器上。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。

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4. 加权最少连接(Weighted Least Connection)

在最少连接的基础上,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。

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5. 随机算法(Random)

把请求随机发送到服务器上。和轮询算法类似,该算法比较适合服务器性能差不多的场景。

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6. 源地址哈希法 (IP Hash)

源地址哈希通过对客户端 IP 计算哈希值之后,再对服务器数量进行取模运算得到目标服务器的序号。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,可以用来实现会话粘滞(Sticky Session)

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转发实现

1. HTTP 重定向

HTTP 重定向负载均衡服务器使用某种负载均衡算法计算得到服务器的 IP 地址之后,将该地址写入 HTTP 重定向报文中,状态码为 302。客户端收到重定向报文之后,需要重新向服务器发起请求。

缺点:

  • 需要两次请求,因此访问延迟比较高;
  • HTTP 负载均衡器处理能力有限,会限制集群的规模。

该负载均衡转发的缺点比较明显,实际场景中很少使用它。

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2. DNS 域名解析

在 DNS 解析域名的同时使用负载均衡算法计算服务器地址。

优点:

  • DNS 能够根据地理位置进行域名解析,返回离用户最近的服务器 IP 地址。

缺点:

  • 由于 DNS 具有多级结构,每一级的域名记录都可能被缓存,当下线一台服务器需要修改 DNS 记录时,需要过很长一段时间才能生效;

大型网站基本使用了 DNS 做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。也就是说,域名解析的结果为内部的负载均衡服务器 IP 地址。

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3. 反向代理服务器

首先了解一下正向代理与反向代理的区别:

  • 正向代理:发生在客户端,是由用户主动发起的。比如翻墙,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:发生在服务器端,用户不知道代理的存在。

反向代理服务器位于源服务器前面,用户的请求需要先经过反向代理服务器才能到达源服务器。反向代理可以用来进行缓存、日志记录等,同时也可以用来做为负载均衡服务器。

在这种负载均衡转发方式下,客户端不直接请求源服务器,因此源服务器不需要外部 IP 地址,而反向代理需要配置内部和外部两套 IP 地址。

优点:

  • 与其它功能集成在一起,部署简单。

缺点:

  • 所有请求和响应都需要经过反向代理服务器,它可能会成为性能瓶颈。

4. 网络层

负载均衡服务器在操作系统内核进程获取网络数据包,根据负载均衡算法计算源服务器的 IP 地址,并修改请求数据包的目的 IP 地址,最后进行转发。

源服务器返回的响应也需要经过负载均衡服务器,通常是让负载均衡服务器同时作为集群的网关服务器来实现。

优点:

  • 在内核进程中进行处理,性能比较高。

缺点:

  • 和反向代理一样,所有的请求和相应都经过负载均衡服务器,会成为性能瓶颈。

5. 链路层

在链路层根据负载均衡算法计算源服务器的 MAC 地址,并修改请求数据包的目的 MAC 地址,并进行转发。

通过配置源服务器的虚拟 IP 地址和负载均衡服务器的 IP 地址一致,从而不需要需要 IP 地址就可以进行转发。也正因为 IP 地址一样,所以源服务器的响应不需要转发回负载均衡服务器,直接转发给客户端,避免了负载均衡服务器的成为瓶颈。这是一种三角传输模式,被称为直接路由,对于提供下载和视频服务的网站来说,直接路由避免了大量的网络传输数据经过负载均衡服务器。

这是目前大型网站使用最广负载均衡转发方式,在 Linux 平台可以使用 LVS(Linux Virtual Server)。

参考:

二、集群下的 Session 管理

一个用户的 Session 信息如果存储在一个服务器上,那么当负载均衡器把用户的下一个请求转发到另一个服务器,由于服务器没有用户的 Session 信息,那么该用户就需要重新进行登录等操作。

Sticky Sessions

需要配置负载均衡器,使得一个用户的所有请求都路由到同一个服务器,这样就可以把用户的 Session 存放在该服务器中。

缺点:

  • 当服务器宕机时,将丢失该服务器上的所有 Session。

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Session Replication

在服务器之间进行 Session 同步操作,每个服务器都有所有用户的 Session 信息,因此用户可以向任何一个服务器进行请求。

缺点:

  • 占用过多内存;
  • 同步过程占用网络带宽以及服务器处理器时间。

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Session Server

使用一个单独的服务器存储 Session 数据,可以使用 MySQL,也使用 Redis 或者 Memcached 这种内存型数据库。

优点:

  • 为了使得大型网站具有伸缩性,集群中的应用服务器通常需要保持无状态,那么应用服务器不能存储用户的会话信息。Session Server 将用户的会话信息单独进行存储,从而保证了应用服务器的无状态。

缺点:

  • 需要去实现存取 Session 的代码。

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