58沈剑架构系列如何实施异构服务器的负载均衡及过载保护？

Posted 2020-10-02 简简人事

零、需求缘起

第一篇文章“一分钟了解负载均衡”和大家share了互联网架构中反向代理层、站点层、服务层、数据层的常用负载均衡方法。

第二篇文章“lvs为何不能完全代替DNS轮询”和大家share了互联网接入层负载均衡需要解决的问题及架构演进。

在这两篇文章中，都强调了“负载均衡是指，将请求/数据【均匀】分摊到多个操作单元上执行，负载均衡的关键在于【均匀】”。

 

然而，后端的service有可能部署在硬件条件不同的服务器上：

1）如果对标最低配的服务器“均匀”分摊负载，高配的服务器的利用率不足；

2）如果对标最高配的服务器“均匀”分摊负载，低配的服务器可能会扛不住；

能否根据异构服务器的处理能力来动态、自适应进行负载均衡及过载保护，是本文要讨论的问题。

 

一、service层的负载均衡通常是怎么做的

“一分钟了解负载均衡”中提到，service层的负载均衡，一般是通过service连接池来实现的，调用方连接池会建立与下游服务多个连接，每次请求“随机”获取连接，来保证service访问的均衡性。

“RPC-client实现细节”中提到，负载均衡、故障转移、超时处理等细节也都是通过调用方连接池来实现的。

这个调用方连接池能否实现，根据service的处理能力，动态+自适应的进行负载调度呢？

 

二、通过“静态权重”标识service的处理能力

调用方通过连接池组件访问下游service，通常采用“随机”的方式返回连接，以保证下游service访问的均衡性。

 

要打破这个随机性，最容易想到的方法，只要为每个下游service设置一个“权重”，代表service的处理能力，来调整访问到每个service的概率，例如：

假设service-ip1，service-ip2，service-ip3的处理能力相同，可以设置weight1=1，weight2=1，weight3=1，这样三个service连接被获取到的概率分别就是1/3，1/3，1/3，能够保证均衡访问。

 

假设service-ip1的处理能力是service-ip2，service-ip3的处理能力的2倍，可以设置weight1=2，weight2=1，weight3=1，这样三个service连接被获取到的概率分别就是2/4，1/4，1/4，能够保证处理能力强的service分别到等比的流量，不至于资源浪费。

 

使用nginx做反向代理与负载均衡，就有类似的机制。

这个方案的优点是：简单，能够快速的实现异构服务器的负载均衡。

缺点也很明显：这个权重是固定的，无法自适应动态调整，而很多时候，服务器的处理能力是很难用一个固定的数值量化。

 

三、通过“动态权重”标识service的处理能力

提问：通过什么来标识一个service的处理能力呢？

回答：其实一个service能不能处理得过来，能不能响应得过来，应该由调用方说了算。调用服务，快速处理了，处理能力跟得上；调用服务，处理超时了，处理能力很有可能跟不上了。

 

动态权重设计

1）用一个动态权重来标识每个service的处理能力，默认初始处理能力相同，即分配给每个service的概率相等；

2）每当service成功处理一个请求，认为service处理能力足够，权重动态+1

3）每当service超时处理一个请求，认为service处理能力可能要跟不上了，权重动态-10（权重下降会更快）

4）为了方便权重的处理，可以把权重的范围限定为[0, 100]，把权重的初始值设为60分

 

举例说明：

假设service-ip1，service-ip2，service-ip3的动态权重初始值weight1=weight2=weight3=60，刚开始时，请求分配给这3台service的概率分别是60/180，60/180，60/180，即负载是均衡的。

 

随着时间的推移，处理能力强的service成功处理的请求越来越多，处理能力弱的service偶尔有超时，随着动态权重的增减，权重可能变化成了weight1=100，weight2=60，weight3=40，那么此时，请求分配给这3台service的概率分别是100/200，60/200，40/200，即处理能力强的service会被分配到更多的流量。

 

四、过载保护

提问：什么是过载保护？

图示：无过载保护的负载与处理能力图（会掉底）

回答：互联网软件架构设计中所指的过载保护，是指当系统负载超过一个service的处理能力时，如果service不进行自我保护，可能导致对外呈现处理能力为0，且不能自动恢复的现象。而service的过载保护，是指即使系统负载超过一个service的处理能力，service让能保证对外提供有损的稳定服务。

图示：有过载保护的负载与处理能力图（不会掉底）

提问：如何进行过载保护？

回答：最简易的方式，服务端设定一个负载阈值，超过这个阈值的请求压过来，全部抛弃。这个方式不是特别优雅。

 

五、如何借助“动态权重”来实施过载保护

动态权重是用来标识每个service的处理能力的一个值，它是RPC-client客户端连接池层面的一个东东。服务端处理超时，客户端RPC-client连接池都能够知道，这里只要实施一些策略，就能够对“疑似过载”的服务器进行降压，而不用服务器“抛弃请求”这么粗暴的实施过载保护。

 

应该实施一些什么样的策略呢，例如：

1）如果某一个service的连接上，连续3个请求都超时，即连续-10分三次，客户端就可以认为，服务器慢慢的要处理不过来了，得给这个service缓一小口气，于是设定策略：接下来的若干时间内，例如1秒（或者接下来的若干个请求），请求不再分配给这个service；

2）如果某一个service的动态权重，降为了0（像连续10个请求超时，中间休息了3次还超时），客户端就可以认为，服务器完全处理不过来了，得给这个service喘一大口气，于是设定策略：接下来的若干时间内，例如1分钟（为什么是1分钟，根据经验，此时service一般在发生fullGC，差不多1分钟能回过神来），请求不再分配给这个service；

3）可以有更复杂的保护策略…

 

这样的话，不但能借助“动态权重”来实施动态自适应的异构服务器负载均衡，还能在客户端层面更优雅的实施过载保护，在某个下游service快要响应不过来的时候，给其喘息的机会。

 

需要注意的是：要防止客户端的过载保护引起service的雪崩，如果“整体负载”已经超过了“service集群”的处理能力，怎么转移请求也是处理不过来的，还得通过抛弃请求来实施自我保护。

 

六、总结

1）service的负载均衡、故障转移、超时处理通常是RPC-client连接池层面来实施的

2）异构服务器负载均衡，最简单的方式是静态权重法，缺点是无法自适应动态调整

3）动态权重法，可以动态的根据service的处理能力来分配负载，需要有连接池层面的微小改动

4）过载保护，是在负载过高时，service为了保护自己，保证一定处理能力的一种自救方法

5）动态权重法，还可以用做service的过载保护

 

【文章转载自微信公众号“架构师之路”】