keepalived+vip+lvs高可用负载均衡服务演化

Posted 2022-04-05 赵广陆

目录

• 1 问题
• 2 名词解释
• 3 接入层技术演进
• • 3.1 裸奔时代单机架构
  • 3.2 简易扩容方案DNS轮询
  • 3.3 简易扩容方案nginx
  • 3.4 高可用方案keepalived
  • 3.6 scale up(纵向扩展) 扩容方案lvs/f5
  • 3.7 scale out(横向扩展)扩容方案DNS轮询
• 4 总结
• 5 lvs为何不能完全替代DNS轮询
• 6 CDN的引入

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以下内容参考微信公众号架构师之路，欢迎大家关注，结合文章内容写一些自己的感悟和心得

1 问题

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

2 名词解释

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

3 接入层技术演进

3.1 裸奔时代单机架构

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

3.2 简易扩容方案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：

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

3.3 简易扩容方案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：

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？

3.4 高可用方案keepalived

为了解决高可用的问题，keepalived出场

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？

3.6 scale up(纵向扩展) 扩容方案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：

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）

3.7 scale out(横向扩展)扩容方案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：

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

4 总结

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

5 lvs为何不能完全替代DNS轮询

1）nginx前端加入lvs和keepalived可以替代“DNS轮询”

2）F5能搞定接入层高可用、扩展性、负载均衡，可以替代“DNS轮询”

“DNS轮询”究竟是不是过时的技术，是不是可以被其他方案替代，接入层架构技术演进，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

6 CDN的引入

当用户请求一个文件时，cdn的工作过程如下：

1.dns请求当地local DNS

2.当地local DNS递归的查询服务器的gslb

3.服务器根据local DNS 分配最佳节点，返回ip

4.用户获得最佳接入ip，访问最佳节点。

5.如果该节点没有用户想要获取的内容，则通过内部路由访问上一节点，直到找到文件或到达源站为止。

6.cdn节点缓存该数据，下次请求该文件时可以直接返回。