根据Github整理。 内容包括:负载均衡、集群下Session管理等等。

一、负载均衡

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,负载均衡器会将用户请求转发到另外的节点上,从而保证所有服务持续可用;
  • 伸缩性:根据系统整体负载情况,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:

  1. 根据负载均衡算法得到转发的节点;
  2. 进行转发。

负载均衡算法

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。(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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/2766d04f-7dad-42e4-99d1-60682c9d5c61.jpg

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)。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/f7ecbb8d-bb8b-4d45-a3b7-f49425d6d83d.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/211c60d4-75ca-4acd-8a4f-171458ed58b4.jpg

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,此时 (6, 4) 请求连接服务器 2。该系统继续运行时,服务器 2 会承担过大的负载。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/3b0d1aa8-d0e0-46c2-8fd1-736bf08a11aa.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/1f4a7f10-52b2-4bd7-a67d-a9581d66dc62.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/44edefb7-4b58-4519-b8ee-4aca01697b78.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/0ee0f61b-c782-441e-bf34-665650198ae0.jpg

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,再对服务器数量取模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,用来实现会话粘滞(Sticky Session)

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/2018040302.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/c5f611f0-fd5c-4158-9003-278141136e6e.jpg

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 IP 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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/76a25fc8-a579-4d7c-974b-7640b57fbf39.jpg

3. 反向代理服务器

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

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,所有的请求和响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,从而不需要修改 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,可以直接转发给客户端,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 平台可以使用的负载均衡服务器为 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 Session

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/MultiNode-StickySessions.jpg

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。

https://github.com/CyC2018/CS-Notes/raw/master/pics/MultiNode-SessionReplication.jpg

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November 4, 2018
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