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接入层负载均衡技术架构演进

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刘诗书
2017.11.01 15:26* 字数 1719

一、问题域
nginx、lvs、keepalived、f5、DNS轮询,每每提到这些技术,往往讨论的是接入层的这样几个问题:

1)可用性:任何一台机器挂了,服务受不受影响
2)扩展性:能否通过增加机器,扩充系统的性能
3)反向代理+负载均衡:请求是否均匀分摊到后端的操作单元执行

二、上面那些名词都是干嘛的

由于每个技术人的背景和知识域不同,上面那些名词缩写(运维的同学再熟悉不过了),还是花1分钟简单说明一下(详细请自行“百度”):

1)nginx:一个高性能的web-server和实施反向代理的软件
2)lvs:Linux Virtual Server,使用集群技术,实现在linux操作系统层面的一个高性能、高可用、负载均衡服务器
3)keepalived:一款用来检测服务状态存活性的软件,常用来做高可用
4)f5:一个高性能、高可用、负载均衡的硬件设备(听上去和lvs功能差不多?)
5)DNS轮询:通过在DNS-server上对一个域名设置多个ip解析,来扩充web-server性能及实施负载均衡的技术

三、接入层技术演进
【裸奔时代(0)单机架构】

单机架构
裸奔时代的架构图如上:

1)浏览器通过DNS-server,域名解析到ip
2)浏览器通过ip访问web-server
缺点
1)非高可用,web-server挂了整个系统就挂了
2)扩展性差,当吞吐量达到web-server上限时,无法扩容
注:单机不涉及负载均衡的问题

【简易扩容方案(1)DNS轮询】
假设tomcat的吞吐量是1000次每秒,当系统总吞吐量达到3000时,如何扩容是首先要解决的问题,DNS轮询是一个很容易想到的方案:

DNS轮询
此时的架构图如上:

1)多部署几份web-server,1个tomcat抗1000,部署3个tomcat就能抗3000
2)在DNS-server层面,域名每次解析到不同的ip
优点
1)零成本:在DNS-server上多配几个ip即可,功能也不收费
2)部署简单:多部署几个web-server即可,原系统架构不需要做任何改造
3)负载均衡:变成了多机,但负载基本是均衡的
缺点
1)非高可用:DNS-server只负责域名解析ip,这个ip对应的服务是否可用,DNS-server是不保证的,假设有一个web-server挂了,部分服务会受到影响
2)扩容非实时:DNS解析有一个生效周期
3)暴露了太多的外网ip

【简易扩容方案(2)nginx】
tomcat的性能较差,但nginx作为反向代理的性能就强多了,假设线上跑到1w,就比tomcat高了10倍,可以利用这个特性来做扩容:

nginx
此时的架构图如上:

1)站点层与浏览器层之间加入了一个反向代理层,利用高性能的nginx来做反向代理
2)nginx将http请求分发给后端多个web-server
优点
1)DNS-server不需要动
2)负载均衡:通过nginx来保证
3)只暴露一个外网ip,nginx->tomcat之间使用内网访问
4)扩容实时:nginx内部可控,随时增加web-server随时实时扩容
5)能够保证站点层的可用性:任何一台tomcat挂了,nginx可以将流量迁移到其他tomcat
缺点
1)时延增加+架构更复杂了:中间多加了一个反向代理层
2)反向代理层成了单点,非高可用:tomcat挂了不影响服务,nginx挂了怎么办?

【高可用方案(3)keepalived】
为了解决高可用的问题,keepalived出场了(之前的文章“使用shadow-master保证系统可用性”详细介绍过):

keepalived
此时:
1)做两台nginx组成一个集群,分别部署上keepalived,设置成相同的虚IP,保证nginx的高可用
2)当一台nginx挂了,keepalived能够探测到,并将流量自动迁移到另一台nginx上,整个过程对调用方透明

优点
1)解决了高可用的问题
缺点
1)资源利用率只有50%
2)nginx仍然是接入单点,如果接入吞吐量超过的nginx的性能上限怎么办,例如qps达到了50000咧?

【scale up扩容方案(4)lvs/f5】
nginx毕竟是软件,性能比tomcat好,但总有个上限,超出了上限,还是扛不住。
lvs就不一样了,它实施在操作系统层面;f5的性能又更好了,它实施在硬件层面;它们性能比nginx好很多,例如每秒可以抗10w,这样可以利用他们来扩容,常见的架构图如下:

lvs/f5
此时:

1)如果通过nginx可以扩展多个tomcat一样,可以通过lvs来扩展多个nginx
2)通过keepalived+VIP的方案可以保证可用性
99.9999%的公司到这一步基本就能解决接入层高可用、扩展性、负载均衡的问题。

这就完美了嘛?还有潜在问题么?
好吧,不管是使用lvs还是f5,这些都是scale up的方案,根本上,lvs/f5还是会有性能上限,假设每秒能处理10w的请求,一天也只能处理80亿的请求(10w秒吞吐量8w秒),那万一系统的日PV超过80亿怎么办呢?*(好吧,没几个公司要考虑这个问题)

【scale out扩容方案(5)DNS轮询】
如之前文章所述,水平扩展,才是解决性能问题的根本方案,能够通过加机器扩充性能的方案才具备最好的扩展性。
facebook,google,baidu的PV是不是超过80亿呢,它们的域名只对应一个ip么,终点又是起点,还是得通过DNS轮询来进行扩容

DNS轮询
此时:

1)通过DNS轮询来线性扩展入口lvs层的性能
2)通过keepalived来保证高可用
3)通过lvs来扩展多个nginx
4)通过nginx来做负载均衡,业务七层路由

四、结论

聊了这么多,稍微做一个简要的总结:

1)接入层架构要考虑的问题域为:高可用、扩展性、反向代理+扩展均衡
2)nginx、keepalived、lvs、f5可以很好的解决高可用、扩展性、反向代理+扩展均衡的问题
3)水平扩展scale out是解决扩展性问题的根本方案,DNS轮询是不能完全被nginx/lvs/f5所替代的

原文:lvs为何不能完全替代DNS轮询

日记本
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