接入层控制：nginx动态流量路由和负载均衡

Posted 2021-04-15 架构师前线

任何团队面临着业务的增长，服务的路由场景及流量控制需求都会越来越复杂。通常会涉及到接入层路由、流量控制和应用服务层路由、甚至数据库路由等。而负载均衡又是另一个热门的技术话题，可以用在服务端各层。本主要讲解分布式系统中接入层的动态路由以及围绕的负载均衡。

一、业务需要

业务早期，业务需求和发展规划简单，接入层用nginx+tomcat web 的简单结构就能满足需求：

这种结构下，nginx层流量控制和负载均衡没有特别复杂的要求，一般使用location、upstream、if、rewrite、reload等简单的nginx指令,实现部署或请求转发等功能。例如:

location ^~ /static/ {
    root /webroot/static/;
}

location ~* .(gif|jpg|jpeg|png|css|js|ico)$ {
    root /webroot/res/;
}

upstream backend_aaa {
    server 10.4.232.110:8080 weight=10;
}

location /abc {
    proxy_pass http://backend_aaa; #路由到backend_bbb集群
}

location / {
    proxy_pass http://tomcat:8080/
}

这种使用方法的优点是运行时性能高，接近原生nginx，缺点是功能受限、操作不精细、容易出错，以及转发规则固定，只能静态分流实现等。特别的，比如使用reload命令，业务初期，大部分情况类似如下使用:

#!/bin/bash
ps -fe | grep nginx | grep -v grep
if [ $? -ne 0 ] then
  sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx
  echo "nginx start"
else
  sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx -s reload
  echo "nginx reload"
fi

而reload是有一定损耗的。如果你需要长连接支持的话，那么当reload nginx时长连接所在worker进程会进行优雅退出，并当该worker进程上的所有连接都释放时，进程才真正退出（表现为worker进程处于worker process is shutting down）。因此，如果能做到不reload就能动态更改upstream，那么就更完美。如京东张开涛 "亿级流量架构"书籍中提到的，社区版Nginx目前有三个选择实现不用reload也能动态更改upstream：Tengine的Dyups模块、微博的Upsync和使用OpenResty的balancer_by_lua。微博使用Upsync+Consul实现动态负载均衡，而又拍云使用其开源的slardar（Consul + balancer_by_lua）实现动态负载均衡。

随着业务高速发展及用户量的增加，接入层的路由、流量控制等需求会变得越来越复杂，引用美团 "Oceanus：美团HTTP流量定制化路由的实践" 文中讲到的，复杂的接入层路由通常会有类似如下的常见场景：

• 团购秒杀要灵活控制压测流量，实现线上服务单节点、各机房、各地域等多维度的压测。

• 外卖业务要做流量隔离，把北方地域的流量转发到分组a，南方地域的流量转发到分组b。

• 酒旅业务要对App新版本进行灰度，让千分之一的用户试用新版本，其他用户访问老版本。

• QA部门要通过请求的自定义参数指定转发分组，构建稳定且高可用的测试环境。

因此，依靠原生的nginx指令很难精细的支持某些业务场景下的分流控制需求，所以很难作为解决公司级分流框架的有效手段。针对它们所存在的不足，定制高可扩展的动态分流框架就是一个很必要的定位，能实现动态支持各种业务场景的分流需求。

二、动态流量控制方案

动态流量处理中， consul+consul-template是一个开源的动态流量方案，这也是《亿级流量网站架构核心技术》中推荐的。在原有方案上，我对其细节做了一些重构，下图是它的实施架构：

大致过程：

1．upstream服务启动。我们可以通过管理后台手动或者改造server自动注册服务到consul。
2．在nginx机器上部署并启动consul-template 作为nginx agent，通过长轮询监听consul服务变更。
3．consul-template监听到变更后，动态修改upstream列表。
4．consul-template修改完upstream列表后，调用nginx重新加载nginx upstream配置(reload)。
5．nginx转发请求到新的upstream server。

接下来我们讲解各个节点的实施细节。

2.1 consul 及consul-template使用

以Consul1.2.3和Consul-template v0.19.5为例

consul

./consul agent -server -bootstrap-expect 1-data-dir /tmp/consul  -bind 0.0.0.0 -client 0.0.0.0 

• 到consul中注册服务：

curl -X PUT http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/register -d'{"Datacenter": "dc_south", "Node":"tomcat", "Address":"192.168.1.1","Service": {"Id" :"192.168.1.1:8080", "Service": "oilcard_tomcat","tags": ["dev"], "Port": 8080}}'

curl -X PUT http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/register -d'{"Datacenter": "dc_north", "Node":"tomcat", "Address":"192.168.1.2","Service": {"Id" :"192.168.1.1:8090", "Service": "oilcard_tomcat","tags": ["dev"], "Port": 8090}}'

Datacenter指定数据中心，Address指定服务IP，Service.Id指定服务唯一标识，Service.Service指定服务分组，Service.tags指定服务标签（如测试环境、预发环境等），Service.Port指定服务端口。

• consul中摘除服务：

curl -X PUThttp://127.0.0.1:8500/v1/catalog/deregister -d '{"Datacenter":"dc_south", "Node": "tomcat", "ServiceID" :"192.168.1.1:8080"}'

• consul发现服务：

curl http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/service/oilcard_tomcat

上面是常见的consul api，更多可参考: https://www.consul.io/docs/agent/http.html

consul-template

• template配置

consul-template nginx代理机器上添加一份consul-template模板 oilcard.tomcat.ctmpl。

upstream oilcard_tomcat {
    server 127.0.0.1:1111;
    {{range service"dev.item_jd_tomcat@dc1"}}
    server {{.Address}}:{{.Port}} weight=1;
    {{end}}
}

service指定格式为：标签.服务@数据中心，然后通过循环输出Address和Port，从而生成nginx upstream配置。

consul-template模板语言使用可以多参考官方文档

• 启动consul-template

./consul-template -consul 127.0.0.1:8500  -template ./oilcard.tomcat.ctmpl:/usr/servers/nginx/conf/domains/oilcard.tomcat.conf: "./restart.sh"  2>&1 >/opt/consul-template.log &  ;

#!/bin/bash
ps -fe | grep nginx | grep -v grep
if [ $? -ne 0 ]
then
  sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx
  echo "nginx start"
else
  sudo /usr/servers/nginx/sbin/nginx -s reload
  echo "nginx reload"
fi

• java程序自动注册到consul中

让程序自动注册到consul中能让服务很好的达到高可用和质量检测，当然也可以通过consul admin手工注册管理。本文的自动注册使用Spring Boot+Consul Java Client实现，代码细节如下：

<dependency>
    <groupId>com.orbitz.consul</groupId>
    <artifactId>consul-client</artifactId>
    <version>0.12.8</version>
</dependency>

如下spring boot启动代码是进行服务注册与摘除：

public static void main(String[] args) {

    SpringApplication.run(Bootstrap.class, args);
    Consul consul = Consul.builder().withHostAndPort(HostAndPort.fromString ("192.168.61.129:8500")).build();
    final AgentClient agentClient = consul.agentClient();
           String service = "oilcard_tomcat";
           String address = "192.168.1.1";
    String tag = "dev";
    int port= 8090;
    final String serviceId = address + ":" + port;
    ImmutableRegistration.Builder builder = ImmutableRegistration.builder();
    builder.id(serviceId).name(service).address(address).port(port).addTags(tag);
    agentClient.register(builder.build());
    //JVM停止时摘除服务
    Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {

       @Override
        publicvoid run() {
           agentClient.deregister(serviceId);

        }

    });
}

启动后进行服务注册，然后在JVM停止时进行服务摘除。

到此我们就实现了动态upstream负载均衡，upstream服务启动后自动注册到nginx，upstream服务停止时，自动从nginx上摘除。

通过consul+consul-template方式，每次配置变更都需要reload nginx，如本文开始所述，reload耗损性能，接下来我们使用consul + balancer_by_lua 实现动态upstream。

consul+openresty

使用consul注册服务，使用openresty balancer_by_lua实现无reload动态负载均衡，架构如下：

1．通过upstream server启动/停止时注册服务，或者通过consul管理后台注册服务。
2．nginx启动时调用init_by_lua，启动时拉取配置，并更新到共享字典来存储upstream列表；然后通过init_worker_by_lua启动定时器，定期去consul拉取配置并实时更新到共享字典。
3．balancer_by_lua使用共享字典存储的upstream列表进行动态负载均衡。

将更新、获取upstream 抽象成dyna_upstreams模块:

local http = require("socket.http")
local ltn12 = require("ltn12")
local cjson = require "cjson"
local function update_upstreams()
local resp = {}
http.request{
    url="http://192.168.61.100:8500/v1/catalog/service/oilcard_tomcat",
    sink = ltn12.sink.table(resp)
}

resp = table.concat(resp)
resp =cjson.decode(resp)

local upstreams = {{ip="127.0.0.1", port=1111}}
for i, vin ipairs(resp) do
     upstreams[i+1] = {ip=v.Address, port=v.ServicePort}
   end
  ngx.shared.upstream_list:set("item_jd_tomcat", cjson.encode (upstreams))
end
end

local function get_upstreams()
   local upstreams_str = ngx.shared.upstream_list:get("item_jd_tomcat")
end

local _M = {
  update_upstreams = update_upstreams,
  get_upstreams = get_upstreams
}

update_upstreams用于更新upstream列表，get_upstreams用于返回upstream列表，注意因为luasocket是阻塞API这可能会阻塞我们的服务，使用时要慎重。

init_*_by_lua配置

#存储upstream列表的共享字典
lua_shared_dict upstream_list 10m;

#Nginx Master进程加载配置文件时执行，用于第一次初始化配置

init_by_lua_block {
  localdyna_upstreams = require "dyna_upstreams";
  dyna_upstreams.update_upstreams();
}

#Nginx Worker进程调度，使用ngx.timer.at定时拉取配置
init_worker_by_lua_block {
  local dyna_upstreams = require"dyna_upstreams";
  local handle = nil;
  handle =function ()
   --TODO:控制每次只有一个worker执行
   dyna_upstreams.update_upstreams();
   ngx.timer.at(5, handle);
  end

  ngx.timer.at(5, handle);
}

init_worker_by_lua是每个nginx worker进程都会执行的代码，所以实际实现时可考虑使用锁机制，保证一次只有一个人处理配置拉取。另外ngx.timer.at是定时轮询，不是走的长轮询，有一定的时延。有个解决方案，是在nginx上暴露HTTP API，通过主动推送的方式解决，架构图如下。

consul template可以长轮询拉取，然后调用HTTP API推送到nginx上，对于拉取的配置，除了放在内存里，请考虑在本地文件系统中存储一份，在网络出问题时作为备份使用。

oilcard.tomcat.conf upstream配置balancer_by_lua

upstream oilcard_tomcat{
   server 0.0.0.1; #占位server
   balancer_by_lua_block {
     local balancer = require "ngx.balancer"
     local dyna_upstreams = require "dyna_upstreams";
     local upstreams = dyna_upstreams.get_upstreams();
     local ip_port = upstreams[math.random(1,table.getn(upstreams)) ]
     ngx.log(ngx.ERR, "current :=============", math.random(1,table.getn (upstreams)))
    balancer.set_current_peer(ip_port.ip, ip_port.port)
  }
}

获取upstream列表，实现自己的负载均衡算法，通过ngx.balancer API进行动态设置本次upstream server。通过balancer_by_lua除可以实现动态负载均衡外，还可以实现个性化负载均衡算法。

最后，记得使用lua-resty-upstream-healthcheck模块进行健康检查。

三、总结

本文一开始讲述了动态流量及路由控制的业务必要性，接着以开源的consul+consul-template+nginx+openresty+lua为例，讲解了具体怎样实施动态路由方案。稳定的接入层方案很需要时间不断来检验。希望本文帮助到你。

注：开源的consul+consul-template方案主要从《亿级流量网站架构核心技术》中借鉴而来，特此申明。

参考：