TCP接入層的負載均衡、高可用、擴展性架構
今天和大家系統性聊聊TCP的負載均衡，高可用，與擴展性架構。
web-server的負載均衡，高可用，擴展性架構是怎么實施的?
互聯網架構中，web-server接入一般使用nginx來做反向代理，實施負載均衡。整個架構分三層：
- 上游調用層，一般是browser或者APP;
- 中間反向代理層，nginx;
- 下游真實接入集群，web-server，常見web-server的有tomcat，apache;
那整個訪問過程是怎么樣的?
- browser向daojia.com發起請求;
- DNS將daojia.com解析為外網IP(1.2.3.4);
- browser通過外網IP(1.2.3.4)訪問nginx;
- nginx實施負載均衡策略，常見策略有輪詢，隨機，IP-hash等;
- nginx將請求轉發給內網IP(192.168.0.1)的web-server;
由于http短連接，以及web應用無狀態的特性，理論上任何一個http請求落在任意一臺web-server都應該得到正常處理。
畫外音：如果必須落在一臺，說明架構可能不合理，難以水平擴展。
問題來了，tcp是有狀態的連接，客戶端和服務端一旦建立連接，一個client發起的請求必須落在同一臺tcp-server上，此時如何做負載均衡，如何保證水平擴展呢?
方案一：單機法tcp-server
單個tcp-server顯然是可以保證請求一致性：
- client向tcp.daojia.com發起tcp請求;
- DNS將tcp.daojia.com解析為外網IP(1.2.3.4);
- client通過外網IP(1.2.3.4)向tcp-server發起請求;
這個方案有什么缺點?
無法保證高可用。
方案二：集群法tcp-server
可以通過搭建tcp-server集群來保證高可用，客戶端來實現負載均衡：
- client內配置有tcp1/tcp2/tcp3.daojia.com三個tcp-server的外網IP;
- 客戶端通過“隨機”的方式選擇tcp-server，假設選擇到的是tcp1.daojia.com;
- 通過DNS解析tcp1.daojia.com;(4)通過外網IP連接真實的tcp-server;
如何保證高可用呢?
如果client發現某個tcp-server連接不上，則選擇另一個。
這個方案有什么缺點?
每次連接前，需要多實施一次DNS訪問：
- 難以預防DNS劫持;
- 多一次DNS訪問意味著更長的連接時間，這個不足在手機端更為明顯;
如何解決DNS的問題?
直接將IP配置在客戶端，可以解決上述兩個問題，很多公司也就是這么做的，俗稱“IP直通車”。
“IP直通車”有什么新問題?
將IP寫死在客戶端，在客戶端實施負載均衡，擴展性很差：
- 如果原有IP發生變化，客戶端得不到實時通知;
- 如果新增IP，即tcp-sever擴容，客戶端也得不到實時通知;
- 如果負載均衡策略變化，需要升級客戶端;
方案三：服務端實施負載均衡
只有將復雜的策略下沉到服務端，才能根本上解決擴展性的問題。
增加一個http接口，將客戶端的“IP配置”與“均衡策略”放到服務端是一個不錯的方案：
- client每次訪問tcp-server前，先調用一個新增的get-tcp-ip接口，對于client而言，這個http接口只返回一個tcp-server的IP;
- 這個http接口，實現的是原client的IP均衡策略;
- 拿到tcp-server的IP后，和原來一樣向tcp-server發起TCP長連接;
這樣的話，擴展性問題就解決了：
- 如果原有IP發生變化，只需要修改get-tcp-ip接口的配置;
- 如果新增IP，也是修改get-tcp-ip接口的配置;
- 如果負載均衡策略變化，不需要升級客戶端;
然而，新的問題又產生了，如果所有IP放在客戶端，當有一個IP掛掉的時候，client可以再換一個IP連接，保證可用性，而get-tcp-ip接口只是維護靜態的tcp-server集群IP，對于這些IP對應的tcp-server是否可用，是完全不知情的，怎么辦呢?
方案四：tcp-server狀態上報
get-tcp-ip接口怎么知道tcp-server集群中各臺服務器是否可用呢，tcp-server主動上報是一個潛在方案，如果某一個tcp-server掛了，則會終止上報，對于停止上報狀態的tcp-server，get-tcp-ip接口，將不返回給client相應的tcp-server的外網IP。
該設計的存在的問題?
誠然，狀態上報解決了tcp-server高可用的問題，但這個設計犯了一個“反向依賴”的耦合小錯誤：使得tcp-server要依賴于一個與本身業務無關的web-server。
方案五：tcp-server狀態拉取
更優的方案是：web-server通過“拉”的方式獲取各個tcp-server的狀態，而不是tcp-server通過“推”的方式上報自己的狀態。
這樣的話，每個tcp-server都獨立與解耦，只需專注于資深的tcp業務功能即可。
高可用、負載均衡、擴展性等任務由get-tcp-ip的web-server專注來執行。
多說一句，將負載均衡實現在服務端，還有一個好處，可以實現異構tcp-server的負載均衡，以及過載保護：
- 靜態實施：web-server下的多個tcp-server的IP可以配置負載權重，根據tcp-server的機器配置分配負載(nginx也有類似的功能);
- 動態實施：web-server可以根據“拉”回來的tcp-server的狀態，動態分配負載，并在tcp-server性能急劇下降時實施過載保護;
總結
(1) web-server如何實施負載均衡?
利用nginx反向代理來輪詢、隨機、ip-hash。
(2) tcp-server怎么快速保證請求一致性?
單機。
(3) 如何保證高可用?
客戶配置多個tcp-server的域名。
(4) 如何防止DNS劫持，以及加速?
IP直通車，客戶端配置多個tcp-server的IP。
(5) 如何保證擴展性?
服務端提供get-tcp-ip接口，向client屏屏蔽負載均衡策略，并實施便捷擴容。
(6) 如何保證高可用?
tcp-server“推”狀態給get-tcp-ip接口，
or
get-tcp-ip接口“拉”tcp-server狀態。
細節重要，思路比細節更重要。
【本文為51CTO專欄作者“58沈劍”原創稿件，轉載請聯系原作者】
