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【系统架构】亿级Web系统搭建(1):Web负载均衡

内容预览:
  • 因为它工作在HTTP层(应用层),也就是网络七层结构中的第七层,因此也...~
  • 这种方式,和前面的DNS负载均衡一样,不仅性能极佳,而且支持配置多种策略~
  • 负载均衡就总结到这,下篇会总结web系统缓存机制的建立和优化~

当一个Web系统从日访问量10万逐步增长到1000万,甚至超过1亿的过程中,Web系统承受的压力会越来越大,在这个过程中,我们会遇到很多的问题。为了解决这些性能压力带来问题,我们需要通过搭建不同的服务和架构来解决。

当单机容量达到极限时,我们需要考虑业务拆分和分布式部署,来解决大型网站访问量大,并发量高,海量数据的问题。从单机到分布式,很重要的区别是业务拆分和分布式部署,将应用拆分后,部署到不同的机器上,实现大规模分布式系统。分布式和业务拆分解决了,从集中到分布的问题,但是每个部署的独立业务还存在单点的问题和访问统一入口问题,为解决单点故障,我们可以采取冗余的方式。将相同的应用部署到多台机器上。解决访问统一入口问题,我们可以在集群前面增加负载均衡设备,实现流量分发。

Web负载均衡(Load Balancing),简单地说就是将负载(工作任务,访问请求)进行平衡、分摊到多个操作单元(服务器,组件)上进行执行。对于保护处于后端的Web服务器来说,非常重要,是解决高性能,单点故障(高可用),扩展性(水平伸缩)的终极解决方案。

【系统架构】亿级Web系统搭建(1):Web负载均衡

负载均衡的策略有很多,我们从简单的讲起哈。


HTTP负载均衡


当用户发来请求的时候,Web服务器通过修改HTTP响应头中的Location标记来返回一个新的url,然后浏览器再继续请求这个新url,实际上就是页面重定向。通过重定向,来达到“负载均衡”的目标。例如,我们在下载PHP源码包的时候,点击下载链接时,为了解决不同国家和地域下载速度的问题,它会返回一个离我们近的下载地址。重定向的HTTP返回码是302,如下图:

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如果使用PHP代码来实现这个功能,方式如下:

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这个重定向非常容易实现,并且可以自定义各种策略。但是,它在大规模访问量下,性能不佳。而且,给用户的体验也不好,实际请求发生重定向,增加了网络延时。


反向代理负载均衡


反向代理服务的核心工作主要是转发HTTP请求,扮演了浏览器端和后台Web服务器中转的角色。因为它工作在HTTP层(应用层),也就是网络七层结构中的第七层,因此也被称为“七层负载均衡”。可以做反向代理的软件很多,比较常见的一种是Nginx。


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Nginx是一种非常灵活的反向代理软件,可以自由定制化转发策略,分配服务器流量的权重等。反向代理中,常见的一个问题,就是Web服务器存储的session数据,因为一般负载均衡的策略都是随机分配请求的。同一个登录用户的请求,无法保证一定分配到相同的Web机器上,会导致无法找到session的问题。

解决方案主要有两种:

1、配置反向代理的转发规则,让同一个用户的请求一定落到同一台机器上(通过分析cookie),复杂的转发规则将会消耗更多的CPU,也增加了代理服务器的负担。

2、将session这类的信息,专门用某个独立服务来存储,例如redis/memchache,这个方案是比较推荐的。

反向代理服务,也是可以开启缓存的,如果开启了,会增加反向代理的负担,需要谨慎使用。这种负载均衡策略实现和部署非常简单,而且性能表现也比较好。但是,它有“单点故障”的问题,如果挂了,会带来很多的麻烦。而且,到了后期Web服务器继续增加,它本身可能成为系统的瓶颈。


IP负载均衡


IP负载均衡服务是工作在网络层(修改IP)和传输层(修改端口,第四层),比起工作在应用层(第七层)性能要高出非常多。原理是,他是对IP层的数据包的IP地址和端口信息进行修改,达到负载均衡的目的。这种方式,也被称为“四层负载均衡”。常见的负载均衡方式,是LVS(Linux Virtual Server,Linux虚拟服务),通过IPVS(IP Virtual Server,IP虚拟服务)来实现。

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在负载均衡服务器收到客户端的IP包的时候,会修改IP包的目标IP地址或端口,然后原封不动地投递到内部网络中,数据包会流入到实际Web服务器。实际服务器处理完成后,又会将数据包投递回给负载均衡服务器,它再修改目标IP地址为用户IP地址,最终回到客户端。

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上述的方式叫LVS-NAT,除此之外,还有LVS-RD(直接路由),LVS-TUN(IP隧道),三者之间都属于LVS的方式,但是有一定的区别,篇幅问题,不赘叙。

IP负载均衡的性能要高出Nginx的反向代理很多,它只处理到传输层为止的数据包,并不做进一步的组包,然后直接转发给实际服务器。不过,它的配置和搭建比较复杂。


DNS负载均衡

DNS(Domain Name System)负责域名解析的服务,域名url实际上是服务器的别名,实际映射是一个IP地址,解析过程,就是DNS完成域名到IP的映射。而一个域名是可以配置成对应多个IP的。因此,DNS也就可以作为负载均衡服务。

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这种负载均衡策略,配置简单,性能极佳。但是,不能自由定义规则,而且,变更被映射的IP或者机器故障时很麻烦,还存在DNS生效延迟的问题。


DNS/GSLB负载均衡


我们常用的CDN(Content Delivery Network,内容分发网络)实现方式,其实就是在同一个域名映射为多IP的基础上更进一步,通过GSLB(Global Server Load Balance,全局负载均衡)按照指定规则映射域名的IP。一般情况下都是按照地理位置,将离用户近的IP返回给用户,减少网络传输中的路由节点之间的跳跃消耗。

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图中的“向上寻找”,实际过程是LDNS(Local DNS)先向根域名服务(Root Name Server)获取到顶级根的Name Server(例如.com的),然后得到指定域名的授权DNS,然后再获得实际服务器IP。

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CDN在Web系统中,一般情况下是用来解决大小较大的静态资源(html/Js/Css/图片等)的加载问题,让这些比较依赖网络下载的内容,尽可能离用户更近,提升用户体验。

例如,我访问了一张imgcache.gtimg.cn上的图片(腾讯的自建CDN,不使用qq.com域名的原因是防止http请求的时候,带上了多余的cookie信息),我获得的IP是183.60.217.90。

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这种方式,和前面的DNS负载均衡一样,不仅性能极佳,而且支持配置多种策略。但是,搭建和维护成本非常高。互联网一线公司,会自建CDN服务,中小型公司一般使用第三方提供的CDN。

负载均衡就总结到这,下篇会总结web系统缓存机制的建立和优化


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