Golang实践录：使用gin框架实现转发功能：一些负载均衡算法的实现

Posted 2021-10-13 李迟

近段时间需要实现一个转发 post 请求到指定后端服务的小工具，由于一直想学习 gin 框架，所以就使用这个框架进行尝试，预计会产生几篇文章。本文研究一些负载均衡算法的实现。

概述

本文实现的负载均衡纯粹是为了笔者的一个念想，并不具有实际指导意义。

本文假定有一个后端服务 URL 的数组，因此，在实现上，仅是输出数组的索引值。权重数组每个索引值对应一个后端服务。比如"1 3 3"，表示有3台服务器，第1台权重为1，第2、3台权重均为3。

算法实现及测试结果

负载均衡有很多类型，如：随机、加权随机；简单轮询、加权轮询、平滑加权轮询，等。本文仅实现几种轮询算法，并且按请求次序递增，不使用随机数。

简单轮询算法

算法描述：

按请求先后轮询服务器。接收到第一次请求，转发到第1台服务器，第二次请求，转发到第2台服务器，依次类推，如果轮询到最后一台服务器，再转发第一台。

代码：

var lb_index int = 0

// 简单轮询
func getOneServerUrlForLB_RR(exTime string) (url string) {

    url = ""
    count := conf.TotalPort //len(conf.BackInfo)

    if lb_index >= count {
        lb_index = 0
    }
    fmt.Println("indx: ", lb_index, count)
    url = fmt.Sprintf("http://127.0.0.1:%d", conf.BackPorts[lb_index])
    fmt.Println("got url: ", url)

    lb_index += 1

    return
}

加权轮询算法

一个权重的示意：

3台机器（分别为A、B、C），权重分别为5，3，2。排列（注：按设置的权重先后列出）：

   5       3    2
1       5     8   10
| ----- | --- | -- |
   A       B     C

某一区间大，表示该服务器的权重大。
设一数，其值在1~10之间，即范围在权重总和之内，依次与5、3、2对比，如小则在该区间，如大，则减去前一数，再比对。看落到哪个区域。
举例：
设该数为3，与5对比，小，则落到第1区间，即选择服务器 A。
设该数为7，与5对比，大，取下一区间，即减去5，得2，与3对比，小，则落到第2区间，即选择服务器 B。
设该数为9，与5对比，大，减去5得4，与3对比，大，减去3得1，与2对比，小，第3区间，即选择服务器 C。

注意，我们关注的是某个区间出现的次数，并不关注是哪一个索引。以轮询 10 次为例，只要保证A、B、C服务器分别访问了5、3、2次即可。最简单的算法，就是将这次 10 次按权重依次分配到A、B、C服务器。

代码：

/*
测试用，假定有3组IP，每组分配好权重，根据请求顺序，按权重分配
可以认为，IP总数为权重总值，只是部分重复了，所以请求循环的次数就是权重总值
*/
// 因为测试，所以直接赋值，测试的总数不超过 conf.TotalPort
// conf.Weights 示例：[3]int{2, 5, 3}， 数组索引0表示第1个后端，1表示第2个后端

func getIndex_WRR(offset int, totalWeight int) (index int) {

    // 如果不指定，使用随机
    if offset == -1 {
        rand.Seed(time.Now().UnixNano())
        offset = rand.Int() % totalWeight
    }
    // fmt.Println("total: ", totalWeight, offset)

    // 注：这里关注的是某个索引值的次数，与顺序无关
    for index, w := range conf.Weights {
        if offset < w {
            return index
        }
        offset -= w
    }

    return
}

func getOneServerUrlForLB_WRR(exTime string) (url string) {

    url = ""
    count := conf.TotalPort

    totalWeight := 0
    for _, w := range conf.Weights {
        totalWeight += w
    }

    count = totalWeight // 注：按权重总数轮询
    if lb_index >= count {
        lb_index = 0
    }
    new_lb_index := getIndex_WRR(lb_index, totalWeight)

    if lb_index == 100 {
        fmt.Println("indx: ", lb_index, new_lb_index, count)
    }
    fmt.Printf("%d ", new_lb_index)

    url = fmt.Sprintf("http://127.0.0.1:%d", conf.BackPorts[new_lb_index])
    fmt.Println("got url: ", url)

    lb_index += 1

    return
}

实验结果：

./httpforward.exe -w "5 3 2"
0 0 0 0 0 1 1 1 2 2 0 0 0 0 0 1 1 1 2 2

./httpforward.exe -w "1 3 3"
0 1 1 1 2 2 2 0 1 1 1 2 2 2

./httpforward.exe -w "5 3 1"
0 0 0 0 0 1 1 1 2 0 0 0 0 0 1 1 1 2

为了数据可靠，轮询了2遍，下同。

平滑加权轮询算法

上述算法并不考虑服务器处理的效率，比如前面5次均在A服务器，其它服务器均为空闲状态，由此引出平滑加权轮询算法。笔者暂未参透该算法的证明过程，因此本文不涉及。

算法：
设置如下变量：
总权重值：totalWeight，其值固定，即所有权重值之和。
固定权重数组：Weights，其值固定，一般由用户指定。
当前权重数组 CurrentWeights，其值可变。
当前权重数组最大值 maxWeight，CurrentWeights数组的最大值。

0、某次请求到来。
1、判断当前权重数组（对应下表当前权重1）值是否全为0，如是，则用固定权重初始化之。
2、在当前权重数组中查找最大值，其对应的索引，即为需要返回的服务器。
3、将第2步的索引对应的值，减去权重总和，其它索引的值保持不变。该值可以为负数。（对应下表当前权重2）
4、 将第3步得到的当前权重数组的每个值，加上对应的固定权重值。
5、回到第1步，重复。

假定有3台服务器A、B、C，其权重依次为 5、1、1，权重总和为7。演算过程如下：

初始时，当前权重为[0,0,0]，则用固定权重[5,1,1]初始化之。
此时，最大值为5，索引为0，返回服务器A。
将[5,1,1]的索引0值减去权重总和7，得到[-2,1,1]。
将[-2,1,1]加上[5,1,1]，得到新的当前权重[3,2,2]。
此时，最大值为3，索引为0，返回服务器A。
将[3,2,2]的索引0值减去权重总和7，得到[-4,2,2]。
将[-4,2,2]加上[5,1,1]，得到新的当前权重[1,3,3]。
（下略）

总体过程如下表：

请求次数	当前权重1	返回服务器	当前权重2
0	[0, 0,0]	－－	初始化为[5, 1, 1]
1	[5, 1, 1]	A	[-2, 1, 1]
2	[3, 2, 2]	A	[-4, 2, 2]
3	[1, 3, 3]	B	[1, -4, 3]
4	[6, -3, 4]	A	[-1, -3, 4]
5	[4, -2, 5]	C	[4, -2, -2]
6	[9, -1, -1]	A	[2, -1, -1]
7	[7, 0, 0]	A	[0, 0, 0]
8	[5, 1, 1]	A	[-2, 1, 1]

代码：

// 平滑加权
func getIndex_SWRR(offset int, totalWeight int) (index int) {

    initflag := 0

    // 0.判断是否全为0
    for _, w := range conf.CurrentWeights {
        if w == 0 {
            initflag++
        }
    }
    // 全为0，则需要初始化
    if initflag == len(conf.CurrentWeights) {
        for idx, w := range conf.Weights {
            conf.CurrentWeights[idx] = w
        }
    }

    // 1. 查询当前权重表最大者，并取该索引，即为所需结果
    maxWeight := 0
    for idx, w := range conf.CurrentWeights {
        if w > maxWeight {
            maxWeight = w
            index = idx
        }
    }
    // 2. 最大的那个权重，其值减去总权重
    conf.CurrentWeights[index] = maxWeight - totalWeight
    // fmt.Println("current222: ", conf.CurrentWeights)

    // 3. 新的当前权重，所对应的值加上初始权重
    // 为下次循环计算打下基础
    for idx, w := range conf.Weights {
        conf.CurrentWeights[idx] += w
    }
    return
}

func getOneServerUrlForLB_SWRR(exTime string) (url string) {
    url = ""

    totalWeight := 0

    for _, w := range conf.Weights {
        totalWeight += w
    }

    // 注：按权重总数轮询
    if lb_index >= totalWeight {
        lb_index = 0
    }
    new_lb_index := getIndex_SWRR(lb_index, totalWeight)

    if lb_index == 100 {
        fmt.Println("indx1: ", lb_index, new_lb_index, totalWeight)
    }
    fmt.Printf("%d ", new_lb_index)
    url = fmt.Sprintf("http://127.0.0.1:%d", conf.BackPorts[new_lb_index])
    //fmt.Println("got url: ", url)

    lb_index += 1

    return
}

实验结果：

./httpforward.exe -w "5 1 1"
0 0 1 0 2 0 0 0 0 1 0 2 0 0 

./httpforward.exe -w "1 3 3"
1 2 0 1 2 1 2 1 2 0 1 2 1 2

./httpforward.exe -w "5 3 1"
0 1 0 2 0 1 0 1 0 0 1 0 2 0 1 0 1 0 

./httpforward.exe -w "2 5 3"
1 2 0 1 1 2 1 0 2 1 1 2 0 1 1 2 1 0 2 1

从结果上看，权重保持着比例，但响应的服务器分布较平衡。

小结

本文主要根据网络的相关资料整理并用 golang 代码实现负载均衡部分算法。

参考

https://www.cnblogs.com/wsw-seu/p/11336634.html
https://juejin.cn/post/6844903793012768781

李迟 2021.9.22 晚