大型网站的负载均衡器、db proxy和db

本文主要分析网站后台架构中的负载均衡器，企业常用的硬件负载均衡器软件负载均衡器、数据库代理服务器和数据库。

1.1 负载均衡

在大型网站部署中，负载均衡至少有三层部署。第一层为web server或者缓存代理之上的负载均衡，第二层为数据库之上的负载均衡，第三层为存储设备之上的负载均衡。

在第一层部署中，最常使用的是硬件负载均衡器有F5 BIG-IP、Citrix NetScaler、Radware、Cisco CSS、Foundry等产品。这些产品价格不菲，高达几十万人民币。在中国大陆，采用F5Network公司的BIG-IP负载均衡交换机的网站有新浪网、雅虎、百度、搜狐、凤凰网、央视国际、中华英才网、猫扑、畅游等。之前淘宝采用 NetScaler作为其硬件负载均衡器。后来用软件负载均衡器LVS和HAproxy混合使用来代替硬件负载均衡器。硬件负载均衡器可以提供OSI参考模型的第四/七层进行负载均衡。在第七层实现负载均衡的原理是，通过检查流经的HTTP报头，根据报头内的信息来执行负载均衡任务。在第四层(网络层)实现负载均衡的DR模式的原理是，通过更改请求包的目的MAC地址来进行负载均衡。

在第一层部署中，最常用的软件负载均衡器为LVS(LinuxVirtual Server)和HAproxy。其中LVS采用基于IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。最常用的LVS负载均衡技术为DR负载均衡。

在第二层部署中，最常用的为mysql-proxy(后端部署必须为MySQL数据库)，该代理服务器可以监测、分析或改变客户端的通信。最常用途为负载均衡，读写分离等。

在第三层部署中，最常用的存储设备都要做RAID，其中RAID0便为最基本的存储层的负载均衡。RAID0通过分带技术，将数据分割，然后并行的读写于各个磁盘上。这样实现底层存储一级的负载均衡。

 

1.2 LVS软件负载均衡器

LVS(LinuxVirtual Server)是由章文嵩博士主导开发的一款开源软件，可以实现Linux平台下的基于网络层的负载均衡软件。典型的基本架构图如图6-2-1所示。

           

                                                                            图6-2-1

LVS集群采用IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。

如图6-2-1所示，LVS集群采用基于IP负载均衡技术和基于内容请求分发技术。当客户端有请求时，首先将请求包传送到Load Balance，然后Load Balance从后面的Real Servers中按照一定的算法策略选取一台Real Server，比如Real Server1，然后把请求包发送给Real Server1进行处理。对所有用户而言，面向用户的服务器端IP地址，只有一台，称之为VirtualIP Address。

 

1.2.1 LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术

VS/NAT、 VS/TUN 和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。

1.2.1.1 VS/NAT技术

VS/NAT(VirtualServer via Network Address Translation)技术，主要通过网络地址转换，将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。NAT的工作原理是当内部网络中的主机要访问Internet或被Internet访问时，就需要采用网络地址转换NAT,将内部地址转化为Internet上可用的外部地址。NAT的工作原理是报文头(目标地址、源地址和端口等)被正确改写后，客户端相信他们连接到了一个IP地址，而不同的IP地址服务器组也认为他们与客户直接相连的。由此，可以用NAT方法将不同IP地址的并行网络服务变成一个IP地址上的虚拟服务。VS/NAT的体系结构如图6-2-1-1所示。

                       

                                                                                                           图6-2-1-1

客户端访问服务器的请求包和响应包变化情况如下所示：

访问Web服务的报文可能有以下的源地址和目标地址：

SOURCE

202.100.1.2:3456

DEST

202.103.106.5:80

调度器从调度列表中选出一台服务器，例如是172.16.0.3:8000。该报文会被改写为如下地址，并将它发送给选出的服务器。

SOURCE

202.100.1.2:3456

DEST

172.16.0.3:8000

从服务器返回到调度器的响应报文如下：

SOURCE

172.16.0.3:8000

DEST

202.100.1.2:3456

响应报文的源地址会被改写为虚拟服务的地址，再将报文发送给客户：

SOURCE

202.103.106.5:80

DEST

202.100.1.2:3456

这样，客户认为是从202.103.106.5:80服务得到正确的响应，而不会知道该请求是服务器172.16.0.2还是服务器172.16.0.3处理的。

1.2.1.2 VS/TUN技术

VS/TUN 的工作原理：它的连接调度和管理与VS/NAT中的一样，只是它的报文转发方法不同。调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，将请求报文封装在另一个IP报文中，再将封装后的IP报文转发给选出的服务器；服务器收到报文后，先将报文解封获得原来目标地址为VIP的报文，服务器发现VIP地址被配置在本地的IP隧道设备上，所以就处理这个请求，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。如图6-2-1-2所示。

                     

                                                                                      图6-2-1-2

1.2.1.3 VS/DR技术

在VS/DR中，调度器根据各个服务器的负载情况，动态地选择一台服务器，不修改也不封装IP报文，而是将数据帧的MAC地址改为选出服务器的MAC地址，再将修改后的数据帧在与服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是选出的服务器，所以服务器肯定可以收到这个数据帧，从中可以获得该IP报文。当服务器发现报文的目标地址VIP是在本地的网络设备上，服务器处理这个报文，然后根据路由表将响应报文直接返回给客户。如图6-2-1-3所示。

                   

                                                                                  图6-2-1-3

 

1.2.1.4 LVS的调度算法

前面几节，介绍了LVS的三种基于IP的负载均衡技术，下面简单介绍一下调度算法。调度算法的目的是解决如何合理有效的从LVS后端的RealServers中，选择一个RealServer来对请求包进行处理。在整个LVS项目中，共给出八种调度算法，主要有：

(1)轮询调度。主要指按顺序从RealServers中选择一台RealServers。

(2) 加权轮叫调度。给Real Servers设置一定权值，进行调度。

(3)最小连接调度。按照RealServers的连接情况进行调度。

(4)加权最小连接。根据设置的权值和现有的连接数进行调度。

(5)基于局部性的最小连接。主要用于增大Cache命中。

(6)代复制的基于局部性的最小连接。

(7)目标地址散列调度。

(8)源地址散列调度。

在上述八种调度算法中，最常用的调度算法是轮询调度。

 

1.3 db proxy

在大型互联网站的数据库部署中，部署最多的数据库为MySQL。随着MySQL中Innodb存储引擎对事物的支持，MySQL在互联网公司部署中，应用量越来越多。典型应用MySQL的公司有Google、Baidu、Taobao等大型互联网公司。MySQL的优势在于其高扩展性和价格优势等。实际上，MySQL可以免费应用于企业级的部署中。

在MySQL复制方式部署中，有两种部署方式：同步复制和异步复制。同步复制采用NDB 存储引擎，异步复制需要使用mysql-proxy结合master-slave实现。

异步复制主要为了解决读写分离的问题。因为用户对网站的访问有读操作多，写操作少的特点。甚至像taobao.com这样的网站读写比例高达10:1，所以采用MySQL-Proxy结合主从异步复制实现读写分离是非常重要的增快访问速度的方法。这样如果有更高的用户访问需求，通过增加slave机器，不会对现有系统提供的服务产生影响而实现很好的、很灵活的业务扩展。

1.3.1 mysql-proxy

mysql-proxy是一个MySQL的代理服务器，用户的请求先发向mysql-proxy，然后mysql-proxy对用户的数据包进行分析，从下一层的mysql 数据库中选择一台数据库，将用户的请求包交给mysql处理。

首先MySQL Proxy 以服务器的身份接受客户端的请求，根据相应配置对这些请求进行分析处理，然后以客户端的身份转发给相应的后端数据库服务器，再接受服务器的信息，然后返回给客户端。所以MySQL Proxy需要同时实现客户端和服务器的协议。由于要对客户端发送过来的SQL语句进行分析，还需要包含一个SQL解析器。MySQL Proxy通过使用lua脚本，来实现复杂的连接控制和过滤，从而实现读写分离和负载平衡。所以部署MySQL-Proxy需要安装运行Lua语言的环境。典型的MySQL-Proxy应用为实现读写分离，如图6-3-1所示。

                

                                                                                   图6-3-1

 

1.3.2 MySQL主从复制(Master-Slave Replication)

MySQL主从复制(Master-Slave Replication)是通过设置在Master MySQL上的binlog(使其处于打开状态)，Slave MySQL上通过一个I/O线程从Master MySQL上读取binlog，然后传输到Slave MySQL的中继日志中，然后Slave MySQL的SQL线程从中继日志中读取中继日志，然后应用到Slave MySQL的数据库中。这样实现了数据库的复制功能。原理如图6-3-2所示：

            

                                                            图6-3-2

MySQL主从复制的作用如下：

(1)    可以作为一种备份机制。

(2)    可以用来做读写分离。

1.3.3 MySQL主从复制结合MySQL Proxy实现读写分离

通过使用MySQL-Proxy来作为代理服务器，配置MySQL Proxy，将所有的写操作，分流到master MySQL上，所有的读操作分流到slave MySQLs。      

这样就实现了读写分离。如果有新的访问需求，只需添加slave MySQL机器来解决问题。所以这样的结构扩展能力非常好。如图6-3-3所示。

                    

                                                                                       图6-3-3

 

1.4 本文小结

本文主要论述了负载均衡在大型网站后台架构中的应用。主要分析了应用层的软件负载均衡器LVS的三种负载均衡算法，简单介绍了LVS的八种调度算法。详细分析了MySQL的主从复制和读写分离的实现机制。给出了高可用网站后台的部署中解决负载均衡的方案。