什么是負(fù)載均衡？

記得***次接觸 Nginx 是在實(shí)驗(yàn)室，那時(shí)候在服務(wù)器部署網(wǎng)站需要用 Nginx 。Nginx 是一個(gè)服務(wù)組件，用來(lái)反向代理、負(fù)載平衡和 HTTP 緩存等。那么這里的 負(fù)載均衡 是什么？

負(fù)載均衡（LB，Load Balance），是一種技術(shù)解決方案。用來(lái)在多個(gè)資源（一般是服務(wù)器）中分配負(fù)載，達(dá)到***化資源使用，避免過(guò)載。

資源，相當(dāng)于每個(gè)服務(wù)實(shí)例的執(zhí)行操作單元，負(fù)載均衡就是將大量的數(shù)據(jù)處理操作分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)操作單元進(jìn)行執(zhí)行，用來(lái)解決互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)的大流量、高并發(fā)和高可用的問(wèn)題。那什么是高可用呢？

二、什么是高可用？

首先了解什么是高可用？

這是 CAP 定理是分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是分布式系統(tǒng)的 3 個(gè)指標(biāo)：

1. Consistency（一致性）
2. Availability（可用性）
3. Partition tolerance（分區(qū)容錯(cuò)性）

那高可用（High Availability）是什么？高可用，簡(jiǎn)稱 HA，是系統(tǒng)一種特征或者指標(biāo)，通常是指，提供一定性能上的服務(wù)運(yùn)行時(shí)間，高于平均正常時(shí)間段。反之，消除系統(tǒng)服務(wù)不可用的時(shí)間。

衡量系統(tǒng)是否滿足高可用，就是當(dāng)一臺(tái)或者多臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)的時(shí)候，系統(tǒng)整體和服務(wù)依然正常可用。

舉個(gè)例子，一些知名的網(wǎng)站保證 4 個(gè) 9 以上的可用性，也就是可用性超過(guò) 99.99%。那 0.01% 就是所謂故障時(shí)間的百分比。比如電商網(wǎng)站有贊，服務(wù)不可用會(huì)造成商家損失金錢(qián)和用戶。那么在提高可用性基礎(chǔ)上同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)宕機(jī)和服務(wù)不可用會(huì)有補(bǔ)償。

比如下單服務(wù)，可以使用帶有負(fù)載均衡的多個(gè)下單服務(wù)實(shí)例，代替單一的下單服務(wù)實(shí)例，即使用冗余的方式來(lái)提高可靠性。

總而言之，負(fù)載均衡（Load Balance）是分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一。一般通過(guò)負(fù)載均衡，冗余同一個(gè)服務(wù)實(shí)例的方式，解決分布式系統(tǒng)的大流量、高并發(fā)和高可用的問(wèn)題。負(fù)載均衡核心關(guān)鍵：在于是否分配均勻。

三、常見(jiàn)的負(fù)載均衡案例

場(chǎng)景1：微服務(wù)架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)路由到具體的服務(wù)實(shí)例 hello：

• 兩個(gè)相同的服務(wù)實(shí)例 hello service ，一個(gè)端口 8000 ，另一個(gè)端口 8082
• 通過(guò) Kong 的負(fù)載均衡 LB 功能，讓請(qǐng)求均勻的分發(fā)到兩個(gè) hello 服務(wù)實(shí)例
• Kong 的負(fù)載均衡策略算法很多：默認(rèn) weighted-round-robin 算法，還有 consumer: consumer id 作為 hash 算法輸入值等

場(chǎng)景2：微服務(wù)架構(gòu)中，A 服務(wù)調(diào)用 B 服務(wù)的集群。通過(guò)了 Ribbon 客戶端負(fù)載均衡組件：

• 負(fù)載均衡策略算法并不高級(jí)，簡(jiǎn)單的是隨機(jī)選擇和輪詢

四、互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)解決方案

常見(jiàn)的互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)分為幾層，一般如下：

• 客戶端層：比如用戶瀏覽器、APP 端
• 反向代理層：技術(shù)選型 Nignx 或者 F5 等
• Web 層：前后端分離場(chǎng)景下， Web 端可以用 NodeJS 、 RN 、Vue
• 業(yè)務(wù)服務(wù)層：用 Java 、Go，一般互聯(lián)網(wǎng)公司，技術(shù)方案選型就是 SC 或者 Spring Boot + Dubbo 服務(wù)化
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：DB 選型 MySQL ，Cache 選型 Redis ，搜索選型 ES 等

一個(gè)請(qǐng)求從第 1 層到第 4 層，層層訪問(wèn)都需要負(fù)載均衡。即每個(gè)上游調(diào)用下游多個(gè)業(yè)務(wù)方的時(shí)候，需要均勻調(diào)用。這樣整體系統(tǒng)來(lái)看，就比較負(fù)載均衡

第 1 層：客戶端層 -> 反向代理層 的負(fù)載均衡

客戶端層 -> 反向代理層的負(fù)載均衡如何實(shí)現(xiàn)呢？

答案是：DNS 的輪詢。 DNS 可以通過(guò) A （Address，返回域名指向的 IP 地址）設(shè)置多個(gè) IP 地址。比如這里訪問(wèn) bysocket.com 的 DNS 配置了 ip1 和 ip2 。為了反向代理層的高可用，至少會(huì)有兩條 A 記錄。這樣冗余的兩個(gè) ip 對(duì)應(yīng)的 nginx 服務(wù)實(shí)例，防止單點(diǎn)故障。

每次請(qǐng)求 bysocket.com 域名的時(shí)候，通過(guò) DNS 輪詢，返回對(duì)應(yīng)的 ip 地址，每個(gè) ip 對(duì)應(yīng)的反向代理層的服務(wù)實(shí)例，也就是 nginx 的外網(wǎng)ip。這樣可以做到每一個(gè)反向代理層實(shí)例得到的請(qǐng)求分配是均衡的。

第 2 層：反向代理層 -> Web 層 的負(fù)載均衡

反向代理層 -> Web 層 的負(fù)載均衡如何實(shí)現(xiàn)呢？

是通過(guò)反向代理層的負(fù)載均衡模塊處理。比如 nginx 有多種均衡方法：

    1.請(qǐng)求輪詢。請(qǐng)求按時(shí)間順序，逐一分配到 web 層服務(wù)，然后周而復(fù)始。如果 web 層服務(wù) down 掉，自動(dòng)剔除。

upstream web-server { 
 server ip3; 
 server ip4; 
} 

    2.ip 哈希。按照 ip 的哈希值，確定路由到對(duì)應(yīng)的 web 層。只要是用戶的 ip 是均勻的，那么請(qǐng)求到 Web 層也是均勻的。

    3.還有個(gè)好處就是同一個(gè) ip 的請(qǐng)求會(huì)分發(fā)到相同的 web 層服務(wù)。這樣每個(gè)用戶固定訪問(wèn)一個(gè) web 層服務(wù)，可以解決 session 的問(wèn)題。

upstream web-server { 
 ip_hash; 
 server ip3; 
 server ip4; 
} 

    4.weight 權(quán)重 、 fair、url_hash 等

第 3 層：Web 層 -> 業(yè)務(wù)服務(wù)層 的負(fù)載均衡

Web 層 -> 業(yè)務(wù)服務(wù)層 的負(fù)載均衡如何實(shí)現(xiàn)呢？

比如 Dubbo 是一個(gè)服務(wù)治理方案，包括服務(wù)注冊(cè)、服務(wù)降級(jí)、訪問(wèn)控制、動(dòng)態(tài)配置路由規(guī)則、權(quán)重調(diào)節(jié)、負(fù)載均衡。其中一個(gè)特性就是智能負(fù)載均衡：內(nèi)置多種負(fù)載均衡策略，智能感知下游節(jié)點(diǎn)健康狀況，顯著減少調(diào)用延遲，提高系統(tǒng)吞吐量。

為了避免避免單點(diǎn)故障和支持服務(wù)的橫向擴(kuò)容，一個(gè)服務(wù)通常會(huì)部署多個(gè)實(shí)例，即 Dubbo 集群部署。會(huì)將多個(gè)服務(wù)實(shí)例成為一個(gè)服務(wù)提供方，然后根據(jù)配置的隨機(jī)負(fù)載均衡策略，在20個(gè) Provider 中隨機(jī)選擇了一個(gè)來(lái)調(diào)用，假設(shè)隨機(jī)到了第7個(gè) Provider。LoadBalance 組件從提供者地址列表中，使用均衡策略，選擇選一個(gè)提供者進(jìn)行調(diào)用，如果調(diào)用失敗，再選另一臺(tái)調(diào)用。

Dubbo內(nèi)置了4種負(fù)載均衡策略:

• RandomLoadBalance:隨機(jī)負(fù)載均衡。隨機(jī)的選擇一個(gè)。是Dubbo的默認(rèn)負(fù)載均衡策略。
• RoundRobinLoadBalance:輪詢負(fù)載均衡。輪詢選擇一個(gè)。
• LeastActiveLoadBalance:最少活躍調(diào)用數(shù)，相同活躍數(shù)的隨機(jī)。活躍數(shù)指調(diào)用前后計(jì)數(shù)差。使慢的 Provider 收到更少請(qǐng)求，因?yàn)樵铰?Provider 的調(diào)用前后計(jì)數(shù)差會(huì)越大。
• ConsistentHashLoadBalance:一致性哈希負(fù)載均衡。相同參數(shù)的請(qǐng)求總是落在同一臺(tái)機(jī)器上。

同樣，因?yàn)闃I(yè)務(wù)的需要，也可以實(shí)現(xiàn)自己的負(fù)載均衡策略。

第 4 層：業(yè)務(wù)服務(wù)層 -> 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層 的負(fù)載均衡

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的負(fù)載均衡，一般通過(guò) DBProxy 實(shí)現(xiàn)。比如 MySQL 分庫(kù)分表。

當(dāng)單庫(kù)或者單表訪問(wèn)太大，數(shù)據(jù)量太大的情況下，需要進(jìn)行垂直拆分和水平拆分兩個(gè)維度。比如水平切分規(guī)則：

• Range 、 時(shí)間
• hash 取模，訂單根據(jù)店鋪ID 等

但伴隨著這塊的負(fù)載會(huì)出現(xiàn)下面的問(wèn)題，需要解決：

• 分布式事務(wù)
• 跨庫(kù) join 等

現(xiàn)狀分庫(kù)分表的產(chǎn)品方案很多：當(dāng)當(dāng) sharding-jdbc、阿里的 Cobar 等

五、小結(jié)

對(duì)外看來(lái)，負(fù)載均衡是一個(gè)系統(tǒng)或軟件的整體。對(duì)內(nèi)看來(lái)，層層上下游調(diào)用。只要存在調(diào)用，就需要考慮負(fù)載均衡這個(gè)因素。所以負(fù)載均衡（Load Balance）是分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一。考慮主要是如何讓下游接收到的請(qǐng)求是均勻分布的：

• 第 1 層：客戶端層 -> 反向代理層 的負(fù)載均衡。通過(guò) DNS 輪詢
• 第 2 層：反向代理層 -> Web 層 的負(fù)載均衡。通過(guò) Nginx 的負(fù)載均衡模塊
• 第 3 層：Web 層 -> 業(yè)務(wù)服務(wù)層 的負(fù)載均衡。通過(guò)服務(wù)治理框架的負(fù)載均衡模塊
• 第 4 層：業(yè)務(wù)服務(wù)層 -> 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層 的負(fù)載均衡。通過(guò)數(shù)據(jù)的水平分布，數(shù)據(jù)均勻了，理論上請(qǐng)求也會(huì)均勻。比如通過(guò)買家ID分片類似