[开源软件]负载均衡通讯分发器(LB dispatch) - G5

负载均衡通讯分发器(LB dispatch) - G5

1.开发背景
    今天和系统运维的老大聊天，谈到一直在用的F5，行里对其评价为价格过高、功能复杂难懂，反正印象不是很好，使用前景不明。因为以前我曾经给行里开发过一个通讯中间件，附带软实现了负载均衡，几年使用下来一直效果不错，突然想自己再软实现一个纯负载均衡通讯分发器，并开源分享给大家。
    说干就干，回到家，搜了一下网上同类软件，整理技术需求
    软件定义如下：基于规则的通讯分发器，匹配来源网络地址，从哪个端口进入，参照负载均衡算法转发到目标网络地址集合中的其中一个。
    实现目标如下：
    * 支持长/短TCP，后续还会支持UDP
    * 与应用层协议无关，即支持HTTP,FTP,TELNET,SSH等等所有应用层协议
    * 稳定高效，Linux下首选epoll(ET模式)，全异步设计，也决定了目前仅支持Linux
    * 分发规则配置文件；也支持远程在线管理规则，以及查询状态
    * 支持多种主流负载均衡算法
    * 源码和可执行程序体型轻巧，概念简单，使用快捷
    使用场景如下：
    * 通讯转发、分发
    * 与无负载均衡功能的通讯软件配合实现本地连接对端的负载均衡分发，避免改造通讯软件带来的工作量和风险
    * 低成本的网站前端负载均衡通讯网关
    
    研发之前，取个好听的名字，相对于硬实现F5，就取名为软实现G5吧 ^_^
    经过5个晚上的奋笔疾书，捣鼓出v1.0.0，源代码只有一个.c(2000行)和一个.h文件(200行)，编译链接出可执行程序约60KB大小。
    
2.安装部署
    从http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5下载源码安装包，在你的临时目录解开
    $ tar xvzf G5-x.x.x.tar.gz
    $ cd G5-x.x.x/src
    $ make -f makefile.Linux clean
    $ make -f makefile.Linux install
    因为只有一对源文件，所以编译链接很快，也便于编译器优化，更便于你自己手工编译。
    如果不报错的话，可执行程序G5就安装到/usr/bin/下了。
    
3.基本使用
3.1.命令行参数
    不带参数执行G5会显示版本、命令行参数说明等信息
    $ G5
    G5 - tcp LB dispatch
    v1.0.0 build Apr  6 2014 15:00:31 WITH 100:1024:4096,10:3:100,64
    Copyright by calvin 2014
    Email : calvinwilliams.c @gmail.com
    
    USAGE : G5 -f config_pathfilename [ -r forward_rule_maxcount ] [ -s forward_session_maxcount ] [ -b transfer_bufsize ] [ -d ]
    
3.1.启动
    因为是工具型软件，所以用户界面设计的比较简单，自行编写一个分发规则配置文件
    $ cat demo.conf
    admin      G        192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
    webdog     MS       192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
    webdog2    RR       *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
    作为G5唯一一个必须的命令行参数-f启动
    $ G5 -f demo.conf
    forward_rule_maxcount    [100]
    forward_session_maxcount [1024]
    transfer_bufsize         [4096]bytes
    epoll_create ok #3#
    admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060(LISTEN)#5# ;
    webdog MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070(LISTEN)#7# > 192.168.1.79:8088 ;
    webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080(LISTEN)#8# > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
    ...
    之后产生的所有普通信息、错误都输出到标准输出、错误输出上，如果启动参数加上-d，则还会输出所有调试信息，如连接、断开、数据分发
    
    我模拟发起一个HTTP请求
    $ lynx http://192.168.1.54:8080/index.php
    G5的标准输出上产生如下信息
    forward2 [192.168.1.54:43477]#3# - [192.168.1.54:8080]#7# > [192.168.1.79:8089]#8#
    transfer #3# [324]bytes to #8#
    transfer #8# [257]bytes to #3#
    close #8# recv 0
    说明一下
    192.168.1.54:43477(lynx)连接192.168.1.54:8080(G5)被转发到网站服务器192.168.1.79:8089(apache)
    lynx发送了HTTP请求324字节给网站服务器
    lynx从网站服务器接收了HTTP响应257字节
    服务端首先断开连接
    
    一般都使用nohup使其变为守护进程，输出导向到文件
    $ nohup G5 demo.conf >demo.log 2>&1 &
    
3.2.停止
    别客气，直接kill (pid)即可。
    
4.配置文件
    配置文件里一行为一条转发规则，每条规则由三大段组成：规则名称、规则类型和规则实体，之间用白字符（空格、TAB）隔开。
    规则名称唯一标识该规则，便于新增、修改和删除规则。
    规则类型说明该规则是在线管理(G)，还是以某种通讯分发算法。目前实现的算法列表如下
    MS : 主备模式，即一直连接第一个目标地址，如果第一个目标地址故障了，切换到下一个目标地址
    RR : 轮询模式，把所有目标地址按次序依次循环使用
    LC : 最少连接数模式，在目标地址集合中挑选当前最少连接的目标
    RT : 最小响应时间模式，在目标地址集合中挑选历史数据交换最快的目标
    RD : 随机模式，随机选择目标地址
    HS : HASH模式，根据来源地址计算HASH得到一个唯一固定的目标地址
    规则实体格式为"来源地址集合 - 本地转发地址集合 > 目标地址集合 ;"，其中三个地址集合内可以包含一个地址或白字符隔开的地址列表。单个地址由"IP:PORT"组成。来源单个地址中的IP和PORT可以使用'*'和'?'通配。当只有一个目标地址时，通讯分发算法就没有意义了。
    
    回来解释一下前面展示的配置文件
    $ cat demo.conf
    # 只允许本机192.168.1.54连接到G5在线管理规则
    admin      G        192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
    # 本地所有TCP连接到本机8070端口时统统转发到192.168.1.79:8088
    # 用于跨网段的通讯转发
    webdog     MS       192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
    # 允许所有主机连接192.168.1.79:8089，并以轮询算法分发给三个服务器192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091
    # 用于网站前端负载均衡通讯节点
    webdog2    RR       *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
    还简单吧
    
5.在线管理
    G5在启动时必须指定一个配置文件装载所有规则并以之工作，也支持远程连接上管理端口在线管理规则，用telnet即可
    $ telnet 192.168.1.54 8060
    Trying 192.168.1.54...
    Connected to rhel54 (192.168.1.54).
    Escape character is '^]'.
    >
    '>'为输入提示符，后面可以键入的命令有
    ver : 显示G5版本及编译日期时间
    quit : 断开管理连接
    list rules : 显示当前所有转发规则
    add rule (...规则...) : 新增转发规则
    modify rule (...规则...) : 修改转发规则
    remove rule (规则名称) : 删除转发规则
    dump rule : 保存所有转发规则到启动时指定的配置文件中
    list forwards : 显示当前所有转发连接信息
    
    使用示例
    $ telnet 192.168.1.54 8060
    Trying 192.168.1.54...
    Connected to rhel54 (192.168.1.54).
    Escape character is '^]'.
    > ver
    version v1.0.0 build Apr  3 2014 08:05:54
    > list rules
        1 : admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
        2 : webdog MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
        3 : webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
    > add rule webdog3 MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
    add forward rule ok
    > modify rule webdog3 HS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
    modify forward rule ok
    > remove rule webdog3
    remove forward rule ok
    > dump rules
    dump all forward rules ok
    > list forwards
        1 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#5#
        2 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#6#
        3 : LISTEN [192.168.1.54:8070]#7#
        4 : LISTEN [192.168.1.54:8080]#8#
        5 : CLIENT [192.168.1.54:54162]#4# - MANAGE [192.168.1.54:8060]#5#
     2138 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
     2139 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
     2140 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
     2141 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
     2142 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
     2143 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
     2144 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
     2145 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
     2146 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
     2147 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
     2148 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
     2149 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
     2150 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
     2151 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
     2152 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
     2153 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
     2154 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
     2155 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
     2156 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
     2157 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
    > quit
    Connection closed by foreign host.
    $
    
6.性能测试
    因为是简单的通讯转发、分发器，内部使用epoll(ET)+全异步实现，达到高并发和充分负载均衡，几乎可以榨干单核硬件资源。
    由于我没有完整靠谱的压测环境，只能在我的老爷机上做直连和通过G5转连的性能比较差异。
    
    压测硬件（2007年买的老爷机）
        CPU  : Intel Dual E2160 1.8GHz 1.81GHz
        内存 : 2GB
        硬盘 : 希捷 250GB 7200转
    压测软件
        Windows XP SP3 ( VMware 6.0 ( RedHat Enterprise Linux 5.4 分了256MB内存 ) )
    压测场景
        ab直连apache 和 ab通过G5转发给apache
        并发数100，总请求数10000次
    
    首先是192.168.1.54:*(apache ab)直连192.168.1.79:8090(apache 2.2.13 for win32)，

    Server Software:        Apache/2.2.13
    Server Hostname:        192.168.1.79
    Server Port:            8090
    
    Document Path:          /index.html
    Document Length:        44 bytes
    
    Concurrency Level:      100
    Time taken for tests:   12.503706 seconds
    Complete requests:      10000
    Failed requests:        0
    Write errors:           0
    Total transferred:      3160000 bytes
    HTML transferred:       440000 bytes
    Requests per second:    799.76 [#/sec] (mean)
    Time per request:       125.037 [ms] (mean)
    Time per request:       1.250 [ms] (mean, across all concurrent requests)
    Transfer rate:          246.73 [Kbytes/sec] received
    
    Connection Times (ms)
                 min  mean[+/-sd] median   max
    Connect:        0    0   4.4      0      86
    Processing:    11  123  31.7    113     283
    Waiting:        8  122  31.6    112     281
    Total:         28  123  31.9    113     284
    
    Percentage of the requests served within a certain time (ms)
     50%    113
     66%    115
     75%    117
     80%    120
     90%    163
     95%    187
     98%    249
     99%    256
    100%    284 (longest request)

    然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(主备模式MS)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

    Server Software:        Apache/2.2.13
    Server Hostname:        192.168.1.54
    Server Port:            8080
    
    Document Path:          /index.html
    Document Length:        44 bytes
    
    Concurrency Level:      100
    Time taken for tests:   14.235889 seconds
    Complete requests:      10000
    Failed requests:        0
    Write errors:           0
    Total transferred:      3160000 bytes
    HTML transferred:       440000 bytes
    Requests per second:    702.45 [#/sec] (mean)
    Time per request:       142.359 [ms] (mean)
    Time per request:       1.424 [ms] (mean, across all concurrent requests)
    Transfer rate:          216.71 [Kbytes/sec] received
    
    Connection Times (ms)
                 min  mean[+/-sd] median   max
    Connect:        0    0   8.3      0     154
    Processing:    25  140  31.3    132     335
    Waiting:       22  139  31.2    131     334
    Total:         70  140  32.3    132     338
    
    Percentage of the requests served within a certain time (ms)
     50%    132
     66%    134
     75%    137
     80%    140
     90%    175
     95%    190
     98%    275
     99%    295
    100%    338 (longest request)

    然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(轮询模式RR)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

    Server Software:        Apache/2.2.13
    Server Hostname:        192.168.1.54
    Server Port:            8080
    
    Document Path:          /index.html
    Document Length:        44 bytes
    
    Concurrency Level:      100
    Time taken for tests:   14.15712 seconds
    Complete requests:      10000
    Failed requests:        0
    Write errors:           0
    Total transferred:      3160316 bytes
    HTML transferred:       440044 bytes
    Requests per second:    713.48 [#/sec] (mean)
    Time per request:       140.157 [ms] (mean)
    Time per request:       1.402 [ms] (mean, across all concurrent requests)
    Transfer rate:          220.18 [Kbytes/sec] received
    
    Connection Times (ms)
                 min  mean[+/-sd] median   max
    Connect:        0    0   7.5      0     140
    Processing:    26  137  67.8     91     342
    Waiting:       25  137  67.8     90     340
    Total:         49  138  68.1     91     347
    
    Percentage of the requests served within a certain time (ms)
     50%     91
     66%    178
     75%    219
     80%    222
     90%    229
     95%    259
     98%    273
     99%    279
    100%    347 (longest request)

    然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(最小响应时间模式RT)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

    Server Software:        Apache/2.2.13
    Server Hostname:        192.168.1.54
    Server Port:            8080
    
    Document Path:          /index.html
    Document Length:        44 bytes
    
    Concurrency Level:      100
    Time taken for tests:   14.260485 seconds
    Complete requests:      10000
    Failed requests:        0
    Write errors:           0
    Total transferred:      3160000 bytes
    HTML transferred:       440000 bytes
    Requests per second:    701.24 [#/sec] (mean)
    Time per request:       142.605 [ms] (mean)
    Time per request:       1.426 [ms] (mean, across all concurrent requests)
    Transfer rate:          216.33 [Kbytes/sec] received
    
    Connection Times (ms)
                 min  mean[+/-sd] median   max
    Connect:        0    0   7.7      0     148
    Processing:    29  140  27.3    133     346
    Waiting:       26  139  27.2    132     346
    Total:         65  141  28.4    133     346
    
    Percentage of the requests served within a certain time (ms)
     50%    133
     66%    136
     75%    138
     80%    140
     90%    181
     95%    190
     98%    241
     99%    287
    100%    346 (longest request)

    然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(随机模式RD)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

    Server Software:        Apache/2.2.13
    Server Hostname:        192.168.1.54
    Server Port:            8080
    
    Document Path:          /index.html
    Document Length:        44 bytes
    
    Concurrency Level:      100
    Time taken for tests:   14.114779 seconds
    Complete requests:      10000
    Failed requests:        0
    Write errors:           0
    Total transferred:      3160632 bytes
    HTML transferred:       440088 bytes
    Requests per second:    708.48 [#/sec] (mean)
    Time per request:       141.148 [ms] (mean)
    Time per request:       1.411 [ms] (mean, across all concurrent requests)
    Transfer rate:          218.64 [Kbytes/sec] received
    
    Connection Times (ms)
                 min  mean[+/-sd] median   max
    Connect:        0    0   7.3      0     139
    Processing:    22  138  67.3     92     354
    Waiting:       21  138  67.3     92     353
    Total:         48  139  67.6     92     356
    
    Percentage of the requests served within a certain time (ms)
     50%     92
     66%    184
     75%    212
     80%    221
     90%    239
     95%    255
     98%    279
     99%    292
    100%    356 (longest request)
    
    可以看出，转发的总耗时比直连多了10%左右，大体还是可以接受的，如果G5和WebServer分开部署在不同机器里，G5就能发挥出负载均衡的优势，性能也会大幅提升。
    以后若有更好的环境，我将会做更全面更深入的压测。

7.待开发内容
    * 转发时，如果接收速度比发送快，暂禁接收sock的EPOLLIN，启用发送sock的EPOLLOUT异步等待准备好再发送
    * 最大连接数控制
    * 连接超时控制

8.最后
    作为一个通讯分发（负载均衡）网络工具，G5基本实现设计目标，并发布第一版出来分享给开源世界，欢迎试用。
    G5源代码作为epoll(ET)+全异步综合使用示例也供大家学习参考，欢迎批评指正。
    如有问题或建议请及时联系我，让我们共同把她搞大！
    开源项目首页 : http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5
    作者邮箱 : calvinwilliams.c @gmail.com