我所理解的负载均衡

2013-09-05

这里的“负载均衡”是指在网站建设中应该考虑的“负载均衡”。假设我们要搭建一个网站:aaa.me,我们使用的web服务器每秒能处理100条请求,而aaa.me这个网站最火的时候也只是每秒99条请求,那么我们使用一个服务器是完全可以的。但是若该网站平均每秒的请求是200多次,那么问题就来了:这已经是最好的web服务器了,我该怎么办?同样的情景也适用于数据库。要解决这种问题,就需要了解“负载均衡”的原理了。

web服务器如何做负载均衡


为web服务器做负载均衡适用的的较多的方式是DNS重定向和反向代理,其他的方式原理也是很类似。

我们多次ping一下百度,会发现回复的IP会有所不同,例如第一次的结果为:

正在 Ping baidu.com [220.181.111.86] 具有 32 字节的数据:
来自 220.181.111.86 的回复: 字节=32 时间=27ms TTL=51
来自 220.181.111.86 的回复: 字节=32 时间=27ms TTL=51
来自 220.181.111.86 的回复: 字节=32 时间=27ms TTL=51

过一会再Ping一次,结果可能就变了:

正在 Ping baidu.com [220.181.111.85] 具有 32 字节的数据:
来自 220.181.111.85 的回复: 字节=32 时间=27ms TTL=51
来自 220.181.111.85 的回复: 字节=32 时间=27ms TTL=51
来自 220.181.111.85 的回复: 字节=32 时间=29ms TTL=51

使用nslookup命令可以看到多个ip与baidu.com对应。在这里用到的就是DNS重定向技术,原理很简单:DNS服务器保存某域名对应的多个IP,客户端发出DNS请求时DNS服务器根据算法将IP发回给客户端;发送回的一般是一个IP地址集合,但是每次的排序不同,第一次的第一个IP为201.11.11.1,第二次的第一个可能是201.11.11.2,客户端使用的是第一个IP——简单地说,就是客户端每次获取的域名的IP可能不同。不同的IP对应不同的web服务器,但是这些web服务器的内容应该是一样的。

我们从下图理解反向代理:

反向代理
反向代理

客户端向反向代理发送HTTP请求报文(若该网站有域名,域名的IP是反向代理服务器的外网IP),反向代理将请求报文随机发送给一个web服务器,web服务器将HTTP响应报文发送给反向代理,反向代理再将这报文返回给客户端。既然这样简单,我们就可以着手实现一个简单的反向代理。

在linux mint 15 下安装apache和nginx服务器,在apache的80端口的文档根目录下创建文件index.html,内容如下:

<html>
<head>
<title>index</title>
</head>
<body>
<h1>hello, i am apache</h1>
</body>
</html>

在nginx的8080端口的文档根目录下创建文件index.html,内容如下:

<html>
<head>
<title>index</title>
</head>
<body>
<h1>hello, i am nginx</h1>
</body>
</html>

创建源文件simple_reverse_proxy.py,内容如下:

#!/usr/bin/python
#-*-encoding:utf8-*-
'''
这是一个简单的反向代理服务器
'''
import BaseHTTPServer
import urllib2
HOST_NAME = '127.0.0.1'
PORT_NUMBER = 8081  #端口
SERVER_URL=('http://127.0.0.1:80','http://127.0.0.1:8080')
server_choice = 0
class MyHandler(BaseHTTPServer.BaseHTTPRequestHandler):
    def do_GET(s):
        """response to a GET request"""
        global server_choice
        url = SERVER_URL[server_choice]
        print url
        server_choice = (server_choice + 1) % 2
        headers = {'User-Agent': 'Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 5.5; Windows NT)'}
        try:
            req = urllib2.Request(url, None, headers)
            response = urllib2.urlopen(req)
            html = response.read()
            #print html
            s.send_response(200);
            s.send_header("Content-type", "text/html")
            s.end_headers()
            s.wfile.write(html)
        except:
            s.send_response(404);
            s.send_header("Content-type", "text/html")
            s.end_headers()
            s.wfile.write('<h2>404</h2>')
if __name__ == '__main__':
    server_class = BaseHTTPServer.HTTPServer
    httpd = server_class((HOST_NAME, PORT_NUMBER), MyHandler)
    try:
        httpd.serve_forever()
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    httpd.server_close()

启动apache、nginx,并运行simple_reverse_proxy.py。我们在浏览器中打开http://127.0.0.1:8081,我们可以看到:

刷新一下可以看到:

simple_reverse_proxy.py会有以下信息输出:

bash >> ./simple_reverse_proxy.py 
http://127.0.0.1:80
127.0.0.1 - - [05/Sep/2013 19:25:02] "GET / HTTP/1.1" 200 -
http://127.0.0.1:8080
127.0.0.1 - - [05/Sep/2013 19:25:43] "GET / HTTP/1.1" 200 -

当然,开源世界里已经有很多优秀的反向代理服务器了,例如Nginx。

只要理解了反向代理的原理,更复杂的架构也容易去实现。

数据库的负载均衡


对于大型网站,一个数据库系统肯定会遇到无法负担大量的读请求、写请求的情况。那么我们怎么来通过负载均衡来实现高并发的读写请求呢?

这其中一个很好的方法就是读写分离:将原本针对一个数据库服务器的读写请求分成读请求和写请求,向一个(或者多个)数据库服务器发送写请求,向另外一个(或多个)服务器发送读请求,这可以明显的提高响应时间。不过其中有一个难点,就是必须保持多个数据库服务器中的数据是一致的,不用担心,很多数据库系统已经实现了这个功能。下面是一个架构示例:

上图中其实有一个写写冲突的问题,想象以下场景:

该系统用于存放某网站的用户注册信息,该网站不允许用户名相同,且以用户名为唯一主键,所以在单数据库架构中必须涉及到事务的处理。现在在这个负载均衡的数据库架构中,用户A要注册用户名为xiaoming,这个写请求分配给了db server 1;与此同时用户B同样注册用户名xiaoming,如果写请求分配给了db server1,就不会有问题发生,可是如果分配给db server 2呢?两个db server分别存放了不同用户的用户名相同的用户信息!解决的方法很简单,写请求的分配不能用随机算法,应该使用哈希映射,例如注册的用户名首字母为x时,写请求分配各 db server2,其他写请求一律分配给db server 1。

另外一个问题,这种架构为开发应用提供了很大的灵活性,就是这种架构不适用于某些ORM框架,解决方法就是在这个架构上再加上一层——“数据库代理”。例如对于MySQL,就有MySQL Proxy这样的解决方案。

( 完 )