HAPROXY各调度算法的实现方式及其应用场景

Posted 2022-04-14 njsummer

HAProxy的调度算法分为静态和动态调度算法，但是有些算法可以根据参数在静态和动态算法中相互转换。HAProxy通过固定参数 balance 指明对后端服务器的调度算法，该参数可以配置在listen或backend选项中。

官方文档：http://cbonte.github.io/haproxy-dconv/2.4/configuration.html#4-balance

1 静态算法

静态算法：按照事先定义好的规则轮询进行调度，不关心后端服务器的当前负载、连接数和响应速度等，且无法实时动态修改权重(只能为0和1,不支持其它值)或者修改后不生效，如果需要修改只能靠重启HAProxy生效。

1.1 static-rr

static-rr：基于权重的轮询调度，不支持运行时利用socat进行权重的动态调整(只支持0和1，不支持其它值)及后端服务器慢启动，其后端主机数量没有限制，相当于LVS中的 wrr。

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode http
log global
balance static-rr
server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 2 check inter 3000 fall 2 rise 5

1.2 first

first：根据服务器在列表中的位置，自上而下进行调度，但是其只会当第一台服务器的连接数达到上限，新请求才会分配给下一台服务，因此会忽略服务器的权重设置，此方式使用较少不支持用socat进行动态修改权重,可以设置0和1,可以设置其它值但无效。

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode http
log global
balance first
server web1 10.0.0.17:80 maxconn 2 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

2 动态算法

动态算法：基于后端服务器状态进行调度适当调整，新请求将优先调度至当前负载较低的服务器，且权重可以在haproxy运行时动态调整无需重启。

2.1 roundrobin

roundrobin：基于权重的轮询动态调度算法，支持权重的运行时调整，不同于lvs中的rr轮训模式，HAProxy中的roundrobin支持慢启动(新加的服务器会逐渐增加转发数)，其每个后端backend中最多支持4095个real server，支持对real server权重动态调整，roundrobin为默认调度算法,此算法使用广泛。

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode http
log global
balance roundrobin
server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 2 check inter 3000 fall 2 rise 5

支持动态权重调整，详见 《Socat 介绍及高级用法》 https://blog.51cto.com/shone/5177658

# echo "get weight web_host/web1" | socat stdio /var/lib/haproxy/haproxy.sock
1 (initial 1)
# echo "set weight web_host/web1 3" | socat stdio /var/lib/haproxy/haproxy.sock
# echo "get weight web_host/web1" | socat stdio /var/lib/haproxy/haproxy.sock
3 (initial 1)

2.2 leastconn

leastconn 加权的最少连接的动态，支持权重的运行时调整和慢启动，即:根据当前连接最少的后端服务器而非权重进行优先调度(新客户端连接)，比较适合长连接的场景使用，比如：mysql等场景。

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode http
log global
balance leastconn
server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

2.3 random

在1.9版本开始增加 random的负载平衡算法，其基于随机数作为一致性hash的key，随机负载平衡对于大型服务器场或经常添加或删除服务器非常有用，支持weight的动态调整，weight较大的主机有更大概率获取新请求。
random配置实例

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode http
log global
balance random
server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

3 其他算法

其它算法即可作为静态算法，又可以通过选项成为动态算法

3.1 source

源地址hash，基于用户源地址hash并将请求转发到后端服务器，后续同一个源地址请求将被转发至同一个后端web服务器。此方式当后端服务器数据量发生变化时，会导致很多用户的请求转发至新的后端服务器，默认为静态方式，但是可以通过hash-type选项进行更改这个算法一般是在不插入Cookie的TCP模式下使用，也可给不支持会话cookie的客户提供最好的会话粘性，适用于session会话保持但不支持cookie和缓存的场景源地址有两种转发客户端请求到后端服务器的服务器选取计算方式，分别是取模法和一致性hash。

3.1.1 map-base 取模法

map-based：取模法，对source地址进行hash计算，再基于服务器总权重的取模，最终结果决定将此请求转发至对应的后端服务器。此方法是静态的，即不支持在线调整权重，不支持慢启动，可实现对后端服务器均衡调度。缺点是当服务器的总权重发生变化时，即有服务器上线或下线，都会因总权重发生变化而导致调度结果整体改变，hash-type 指定的默认值为此算法。

所谓取模运算，就是计算两个数相除之后的余数，10%7=3, 7%4=3
map-based算法：基于权重取模，hash(source_ip)%所有后端服务器相加的总权重

取模法配置示例：

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode tcp
  log global
  balance source
  hash-type map-based
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 3
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 3
  
#不支持动态调整权重值
[root@haproxy <sub>]#echo "set weight web_host/10.0.0.27 10" | socat stdio
/var/lib/haproxy/haproxy.sock
Backend is using a static LB algorithm and only accepts weights 0% and 100%.

#只能动态上线和下线
[root@haproxy </sub>]#echo "set weight web_host/10.0.0.27 0" | socat stdio
/var/lib/haproxy/haproxy.sock
[root@haproxy conf.d]#echo "get weight web_host/10.0.0.27" | socat stdio
/var/lib/haproxy/haproxy.sock
0 (initial 1)

3.1.2 一致性 hash

一致性哈希，当服务器的总权重发生变化时，对调度结果影响是局部的，不会引起大的变动，hash（o）mod n ，该hash算法是动态的，支持使用 socat等工具进行在线权重调整，支持慢启动。
算法：

1、key1=hash(source_ip)%(2^32) [0---4294967295]
2、keyA=hash(后端服务器虚拟ip)%(2^32)
3、将key1和keyA都放在hash环上，将用户请求调度到离key1最近的keyA对应的后端服务器

hash环偏斜问题

增加虚拟服务器IP数量，比如：一个后端服务器根据权重为1生成1000个虚拟IP，再hash。而后端服务器权重为2则生成2000的虚拟IP，再进行hash运算,最终在hash环上生成3000个节点，从而解决hash环偏斜问题。

一致性hash配置示例

listen web_host
bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
mode tcp
log global
balance source
hash-type consistent
server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

3.2 uri

基于对用户请求的URI的左半部分或整个uri做hash，再将hash结果对总权重进行取模后，根据最终结果将请求转发到后端指定服务器，适用于后端是缓存服务器场景，默认是静态算法，也可以通过hash-type指定map-based和consistent，来定义使用取模法还是一致性hash。
此算法基于应用层，所以只支持 mode http ，不支持 mode tcp

<scheme>://<user>:<password>@<host>:<port>/<path>;<params>?<query>#<frag>
左半部分：/<path>;<params>
整个uri：/<path>;<params>?<query>#<frag>

uri 取模法配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance uri
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

uri 一致性hash配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance uri
  hash-type consistent
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

3.3 url_param

url_param对用户请求的url中的 params 部分中的一个参数key对应的value值作hash计算，并由服务器总权重相除以后派发至某挑出的服务器；通常用于追踪用户，以确保来自同一个用户的请求始终发往同一个real server，如果无没key，将按roundrobin算法。

#假设：
url = http://www.magedu.com/foo/bar/index.php?key=value
#则：
host = "www.magedu.com"
url_param = "key=value"

url_param取模法配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance url_param userid #url_param hash
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

url_param一致性hash配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance url_param userid #对url_param的值取hash
  hash-type consistent
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

3.4 hdr

针对用户每个http头部(header)请求中的指定信息做hash，此处由 name 指定的http首部将会被取出并做hash计算，然后由服务器总权重取模以后派发至某挑出的服务器，如果无有效值，则会使用默认的轮询调度。

hdr取模法配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance hdr(User-Agent)
  #balance hdr(host)
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

一致性hash配置示例

listen web_host
  bind 10.0.0.7:80,:8801-8810,10.0.0.7:9001-9010
  mode http
  log global
  balance hdr(User-Agent)
  hash-type consistent
  server web1 10.0.0.17:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5
  server web2 10.0.0.27:80 weight 1 check inter 3000 fall 2 rise 5

3.5 rdp-cookie

rdp-cookie对远windows远程桌面的负载，使用cookie保持会话，默认是静态，也可以通过hash-type 指定map-based和consistent，来定义使用取模法还是一致性hash。

rdp-cookie 取模法配置示例

listen RDP
  bind 10.0.0.7:3389
  balance rdp-cookie
  mode tcp
  server rdp0 10.0.0.17:3389 check fall 3 rise 5 inter 2000 weight 1

rdp-cookie 一致性hash配置示例

[root@haproxy ~]#cat /etc/haproxy/conf.d/windows_rdp.cfg
listen magedu_RDP_3389
  mode tcp
  bind 172.16.0.100:3389
  balance rdp-cookie
  hash-type consistent
  server rdp0 10.0.0.200:3389 check fall 3 rise 5 inter 2000 weight 1

4. 算法使用场景

haproxy 的各种算法的常用场景总结如下

first #使用较少

static-rr                  #做了session共享的 web 集群
roundrobin
random

leastconn                  #数据库
source                     #基于客户端公网 IP 的会话保持
Uri--------------->http    #缓存服务器，CDN服务商，蓝汛、百度、阿里云、腾讯
url_param--------->http    #可以实现session保持
hdr                        #基于客户端请求报文头部做下一步处理
rdp-cookie                 #基于Windows主机,很少使用