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如何实施异构服务器的负载均衡及过载保护?

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。

作者:58沈剑|2016-09-21 13:52

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”

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