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前言介绍

什么是负载均衡？

负载均衡，英文名称为Load Balance，是高可用网络基础架构的关键组件，通常用于将工作负载分布到多个服务器来提高网站、应用、数据库或其他服务的性能和可靠性。

负载均衡构建在原有网络结构之上，它提供了一种透明且廉价有效的方法扩展服务器和网络设备的带宽、加强网络数据处理能力、增加吞吐量、提高网络的可用性和灵活性。

负载均衡有哪些分类？

常见的负载均衡系统包括：DNS负载均衡、硬件负载均衡和软件负载均衡。

• DNS负载均衡

DNS是最简单也是最常见的负载均衡方式，一般用来实现地理级别的均衡。例如，北京的用户访问北京的机房，深圳的用户访问深圳的机房。 DNS负载均衡的本质是 DNS 解析同域名可以返回不同的 IP 地址。

例如，同样是www.baidu.com，北京用户解析后获取的地址是61.135.165.224(这是北京机房的IP)，深圳用户解析后获取的地址是110.242.68.66(这是南方机房的IP)。

• 硬件负载均衡

硬件负载均衡是通过单独的硬件设备来实现负载均衡功能，这类设备和路由器交换机类似，可以理解为一个用于负载均衡的基础网络设备。目前业界典型的硬件负载均衡设备有两款，F5和A10。

这类设备性能强劲，功能强大，但价格都不便宜，一般只有土豪公司才会考虑使用此类设备。普通业务量级的公司一是负担不起，二是业务量没那么大，用这些设备也是浪费。

• 软件负载均衡

软件负载均衡是指通过负载均衡软件来实现负载均衡功能，常见的有Nginx和LVS，其中Nginx是软件的7层负载均衡，LV是Linux内核的4层负载均衡。

4层和7层的区别就在于协议和灵活性。 Nginx支持HTTP、HTTPS、Email协议；LVS是4层负载均衡，和协议无关，几乎所有应用都可以做，例如聊天、数据库等。

在微服务架构中我们用到是软件负载均衡。

微服务实现负载均衡的三种架构模式

• 服务提供者端集中式负载均衡模式

这种模式在微服务架构模式之前普遍使用，指的是在消费者和服务提供方中间使用独立的代理方式进行负载，一般都是使用Nginx来实现。

• 客户端负载均衡模式

在微服务架构中普遍使用，通过服务的注册中心将服务提供者的访问地址发送出去，服务消费者得到地址后在消费者端进行负载均衡，一般使用Ribbo来实现。

• 边车负载均衡模式

下一代微服务架构中将对负载均衡进行沉淀到独立的进程中，最大的变化就是和业务应用完全解耦了。

什么Ribbon？

• 概述

在微服务架构中主流使用的软件负载均衡实现是Ribbon。

Spring Cloud Ribbon是基于Netflix Ribbon 实现的一套客户端的负载均衡工具，Ribbon客户端组件提供一系列的完善的配置，如超时，重试等。通过Load Balancer获取到服务提供的所有机器实例，Ribbon会自动基于某种规则(轮询，随机)去调用这些服务。Ribbon也可以实现我们自己的负载均衡算法。

• 特点

组件库丰富：整套负载均衡由7个具体的策略组成，无论你是什么特殊需求，都有合适的策略供你选择。 适配性强：给谁都能用，跟多个组件都能搭配，能跟Sprig Cloud里的多个组件（eureka、feign、gateway、zuul、hystrix）搭配使用; 此外，Ribbon可以脱离SpringCloud应用在一般项目中。

• Ribbon支持的七种负载均衡算法

1. 随机策略(RandomRule)，通过随机选择服务进行执行，一般这种方式使用较少;
2. 轮训策略(RoundRobinRule)，一个一个来，谁不用急，底层使用了CAS+自旋锁的方式来保证线程安全;
3. 重试策略(RetryRule)，一次不行再来第二次，使用了类似于装饰器设计模式，相当于重试+实际模式的方式，所以需要指定真正被执行的负载均衡策略;
4. 权重策略(WeightedResponseTimeRule)，加权轮训，通过对服务器性能的分型，给高配置，低负载的服务器分配更高的权重，均衡各个服务器的压力，该Rule继承自RoundRobinRule，所以服务器刚启动时采用轮询策略，当权重数据积累足够后才使用WeightedResponseTimeRule模式;
5. 下限策略(AvailabilityFilteringRule)，基于RoundRobinRule来选择服务节点，但必须满足它的最低要求，否在不予采纳，10次以内选择种为止；
6. 自主策略(ZoneAvoidanceRule)，以机房大区（Zone）和可用性作为过滤条件，选择可用的服务节点。满足大区要求，且服务可用且并发量不大的节点才会被选中;
7. 空闲策略(BestAvailableRule)，谁最闲谁先来，在过滤掉故障服务后，选择过去30分钟类并发量最小的服务节点。当然服务器刚启动时，统计结果未生成时，依然使用轮询的方式;
8. Nacos提供的负载均衡策略(NacosRule).

在Nacos中使用Ribbon

• nacos-discovery依赖了ribbon，可以不用再引入ribbon依赖.

• 为RestTemplate添加@LoadBalanced注解。

@Configuration
public class RestTemplateConfiguration {
    @Bean
    @LoadBalanced
    public RestTemplate restTemplate() {
        return new RestTemplate();
    }
}

• 在controller中使用RestTemplate

@RestController
@RequestMapping("/demo")
@AllArgsConstructor
public class ConsumerDemoController {

    private final RestTemplate restTemplate;

    @RequestMapping("/say")
    public String say(){
        // 使用RestTemplate调用服务
        String msg = restTemplate.getForObject("http://service-provider/demo/hello?msg=Nacos", String.class);
        return msg;
    }
}

• 负载均衡器LoadBalancer原理解析

由@LoadBalancer注解标记RestTemplate后，Ribbon会将带有负载均衡功能的拦截器注入标记好的RestTemplate中，以此来实现负载均衡。

Ribbon拦截请求，获取应用名，LoadBalancerAutoConfiguration是Ribbon的自动配置类，在这个配置类里面配置了一个拦截器，该拦截器会拦截所有请求，这就是Ribbon的入口;

LoadBalancerInterceptor的intercept方法（当远程调用的时候都会被拦截器拦截）

总结

• 本章重点介绍了什么是负载均衡，以及负载均衡的分类有哪些，目前在微服务架构中主流使用的是软件负载均衡。
• 微服务架构中实现软件负载均衡的三种模式，服务端集中式负载均衡、客户端负载均衡、边车负载均衡。
• 重点介绍微服务架构中主流使用的软件负载均衡实现Spring Cloud Ribbon以及如何使用Ribbon。
• 源码分析Ribbon的负载均衡器LoadBalancer原理。

拓展阅读

• 什么是Istio？

官网 (opens new window)对Istio的介绍：

An open platform to connect, secure, control and observe services.

即“一个连接、安全加固、控制和观察服务的开放平台”。开放平台就是指它本身是开源的，服务对应的是微服务，也可以粗略地理解为单个应用。

中间的四个动词就是 istio 的主要功能，官方也各有一句话的说明。

1. 连接（Connect）：智能控制服务之间的调用流量，能够实现灰度升级、AB 测试和红黑部署等功能
2. 安全加固（Secure）：自动为服务之间的调用提供认证、授权和加密
3. 控制（Control）：应用用户定义的 policy，保证资源在消费者中公平分配
4. 观察（Observe）：查看服务运行期间的各种数据，比如日志、监控和 tracing，了解服务的运行情况

• 什么是Service Mesh？

上面对Istio介绍的四个动词看起来非常高级，功能非常强大，但从字面意思理解起来非常虚，要想搞清楚Istio，我们先来聊聊前面第0章里面提到的Service Mesh架构模式。

Service Mesh号称是下一代微服务架构模式，其实说起来也不是什么新技术，接地气的说，Service Mesh其实就是传统网络代理的升级版。说到代理大家应该就不陌生了，设计模式中的代理模式大家肯定都学习过。

网络代理可以简单类比成现实生活中的中介，在需要通信的双方加上一道关卡，在这道关卡中增加一些与业务无关但又非常重要的功能，例如：

1. 拦截：代理可以选择性拦截传输的网络流量，比如一些公司限制员工在上班的时候不能访问某些游戏或者电商网站，还有在数据中心中拒绝恶意访问的网关。
2. 统计：既然所有的流量都经过代理，那么代理也可以用来统计网络中的数据信息，比如了解哪些人在访问哪些网站，通信的应答延迟等。
3. 缓存：如果通信双方比较”远“，访问比较慢，那么代理可以把最近访问的数据缓存在本地，后面的访问不用访问后端来做到加速。CDN就是这个功能的典型场景
4. 分发：如果某个通信方有多个服务器后端，代理可以根据某些规则来选择如何把流量发送给多个服务器，也就是我们常说的负载均衡功能。比如著名的 Nginx软件。
5. 跳板：如果A、B双方因为某些原因不能直接访问，而代理可以和双方通信，那么通过代理，双方可以绕过原来的限制进行通信。这应该广大中国网民比较熟悉的场景
6. 注入：既然代理可以看到流量，那么它也可以修改网络流量，可以自动在收到的流量中添加一些数据，比如有些宽带提供商的弹窗广告
7. ……

Service Mesh是分布式的微服务代理。怎么理解呢？在传统模式下，代理一般是集中式的单独的服务器，所有的请求都要先通过代理，然后再流入转发到实际的后端。而在Service Mesh中，代理变成了分布式的，它常驻在了应用的身边（最常见的就是 kubernetes sidecar 模式，每一个应用的 pod 中都运行着一个代理，负责流量相关的事情）。这样的话，应用所有的流量都被代理接管，那么这个代理就能做到上面提到的所有可能的事情，从而带来无限的想象力。

边车负载均衡模式就是这样的原理。

• 再来看Istio

理解了Service Mesh再来看Istio官方给出的架构图就很容易理解了。

Istio extends Kubernetes to establish a programmable, application-aware network using the powerful Envoy service proxy. Working with both Kubernetes and traditional workloads, Istio brings standard, universal traffic management, telemetry, and security to complex deployments.

翻译过来是：Istio 使用功能强大的 Envoy 服务代理扩展了 Kubernetes，以建立一个可编程的、可感知的应用程序网络。Istio 与 Kubernetes 和传统工作负载一起使用，为复杂的部署带来了标准的通用流量管理、遥测和安全性。

• Istio 解决什么问题？

Istio看起来非常炫酷，功能也很强大，但是一个架构和产品出来都是要解决具体问题的。前面我们提到Istio是用来解决微服务中的难题的，具体是什么呢？

首先，原来的单个应用拆分成了许多分散的微服务，它们之间相互调用才能完成一个任务，而一旦某个过程出错（组件越多，出错的概率也就越大），就非常难以排查。

用户请求出现问题无外乎两个问题：错误和响应慢。如果请求错误，那么我们需要知道哪个步骤出错了，这么多的微服务之间的调用怎么确定哪个有调用成功？哪个没有调用成功呢？如果是请求响应太慢，我们就需要知道到底哪些地方比较慢？整个链路的调用各阶段耗时是多少？哪些调用是并发执行的，哪些是串行的？这些问题需要我们能非常清楚整个集群的调用以及流量情况。

Istio就是用来解决这些问题的。

好了，关于Istio的话题就聊到这里，我这里也只是抛砖引玉，感兴趣的同学可以继续深入研究。