OpenResty动态负载均衡

在之前提到的OpenResty/Nginx的负载均衡当中，当服务器启动之后，upstream中的上游服务器就是固定死的了，做不到动态的变更。这里面说到的变更，其实更多指的是增加机器。因为当上游服务器不可用时，upstream会自动将服务器摘除，但是当新增服务器时，upstream就做不到了。传统的负载均衡办法，就是能是修改配置，然后重启服务。下面介绍一下动态负载均衡的方式，一种是通过动态重启服务；另外一种是通过代码的方式动态拉取服务器列表。

Consul

Consul是一个分布式服务注册与发现系统。这里面使用Consul来管理上游服务器，当服务器启动时将其注册到注册中心去，当服务关闭时从注册中心列表中剔除。这里面需要注意一点的是：当上游服务器关闭时，Consul本身不会自动从列表中剔除，而是需要在服务器关闭前主动向Consul发起删除服务。

Consul有以下特性：

服务注册：服务提供者可以通过HTTP或DNS的方式，将服务注册到Consul中去。

服务发现：服务消费者可以通过HTTP或DNS的方式，获取服务的IP和PORT。

故障检测：支持如TCP/HTTP等方式的健康检查机制，当服务出现故障时摘除服务。

K/V存储：使用key-value实现配置中心，使用HTTP长轮询实现变更配置。

多数据中心：支持多数据中心，可以按照数据中心注册和发现服务。可以支持只消费本地机房的服务，多机房可以做到异地容灾。

Raft算法：Consul的一致性算法。

通过Consul可以获取到upstream中的上游服务器列表，下面要做的事情就是生成upstream中的模板了。这里就需要用到Consul-templete，它可以使用HTTP长轮询实现变更触发和配置更改。从而可以根据Consul服务器列表动态生成配置文件，然后去重新启动OpenResty/Nginx即可。

Consul+Consul-templete方式

Consul+Consul-templete就如上面所说的，是一种监听服务器列表变更，然后动态生成upstream模板，重启服务器。

Consul-Server

笔者使用的是MAC，下面所进行的操作都是基于MAC系统的。首先需要安装Consul如下：

brew install consul

安装完成之后，可以通过如下命令启动Consul服务：

consul agent -dev

启动完成之后，可以通过如下地址：localhost:8500/ui。访问Consul的Web界面：

注册服务

可以使用HTTP的方式向Consul注册一个服务：

curl -X PUT http://localhost:8500/v1/agent/service/register -d '
{
  "ID": "moguhu_server1",
  "Name": "moguhu_server",
  "Tags": ["dev"],
  "Address": "127.0.0.1",
  "Port": 8081
}
'

ID：代表要注册的服务的唯一标识
Name：表示一组服务的名称
Tags：服务标签，可以用于区分开发、测试环境
Address：服务的地址
Port：服务的端口

Consul-template

Consul-template的作用是生成upstream配置模板，安装命令如下：

brew install consul-template

然后在nginx.conf同级目录下创建moguhu_server.ctmpl

upstream moguhu_server {
    {{range service "dev.moguhu_server@dc1"}}
        server {{.Address}}:{{.Port}};
    {{end}}
}

重启OpenResty脚本如下：reboot.sh

ps -ef | grep nginx | grep -v grep
if [ $? -ne 0 ]
then
    sudo ~/software/openresty/nginx/sbin/nginx -p ~/hugege/code-sublime/01-zhtest -c ~/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/nginx.conf
    echo "OpenResty start..."
else
    sudo ~/software/openresty/nginx/sbin/nginx -p ~/hugege/code-sublime/01-zhtest -c ~/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/nginx.conf -s reload
    echo "Openresty restart..."
fi

然后nginx.conf配置如下:

include  /Users/xuefeihu/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/moguhu_server.conf;
...
server {
    listen       80;
    server_name  localhost;
    charset utf-8;
    location / {
         proxy_pass http://moguhu_server;
    }
}

上游服务器

上游服务器upstream中使用的是Spring Boot实现的，其核心代码如下所示：

@Configuration
public class ConsulConfiguration {

    @Value("${server.port}")
    private int port;
    @Value("${spring.application.name}")
    private String serviceId;

    @PostConstruct
    public void init() {
        // 参数完全对应HTTP API
        ImmutableRegistration.Builder builder = ImmutableRegistration.builder()
                .id(serviceId)
                .name("moguhu_server")
                .address("127.0.0.1")
                .port(port)
                .addTags("dev");
        // 向Consul注册服务
        Consul consul = Consul.builder().withHostAndPort(HostAndPort.fromString("127.0.0.1:8500")).build();
        final AgentClient agentClient = consul.agentClient();
        agentClient.register(builder.build());
        //注册shutdown hook，停掉应用时从Consul摘除服务
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> agentClient.deregister(serviceId)));
    }
}

笔者在实验时，Consul版本的问题，造成在JVM停止时，没有执行删除服务的操作。因此附上下面的pom依赖

<dependencies>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.boot</groupId>
			<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>com.alibaba</groupId>
			<artifactId>fastjson</artifactId>
			<version>1.2.17</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>com.orbitz.consul</groupId>
			<artifactId>consul-client</artifactId>
			<version>1.2.1</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>com.google.guava</groupId>
			<artifactId>guava</artifactId>
			<version>25.1-jre</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>com.squareup.okhttp3</groupId>
			<artifactId>okhttp</artifactId>
			<version>3.10.0</version>
		</dependency>
</dependencies>

测试验证

1、启动Consul

consul agent -dev

2、启动Consul-template

consul-template -consul-addr 127.0.0.1:8500 -template \
"/Users/xuefeihu/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/moguhu_server.ctmpl:\
/Users/xuefeihu/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/moguhu_server.conf:\
sh /Users/xuefeihu/hugege/code-sublime/01-zhtest/config/reboot.sh"

3、启动2台upstream服务器

然后你会发现在nginx.conf的同级目录下生成了moguhu_server.conf文件，内容如下：

upstream real_server {
    server 127.0.0.1:8081;
    server 127.0.0.1:8082;
}

当手动停掉一台服务器时，配置又会变更为如下：

upstream real_server {
    server 127.0.0.1:8081;
}

此时reboot.sh脚本会自动触发执行，如下所示：

Consul+Lua方式

上面的方式实现动态负载均衡在配置较多的时候会有一些问题，比如配置较多时，OpenResty重启的速度就会变慢。所以通过Lua脚本的方式可以规避掉重启这一步骤。

使用Lua实现时，与上面的组件相比Consul-templete就不需要了。通过Consul的http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/service/moguhu_server接口就可以获取到服务的列表，如下所示：

[
    {
        "ID": "5d452e6b-71e0-67ae-5169-c7e6342da53b",
        "Node": "Jacks-MacBook-Air.local",
        "Address": "127.0.0.1",
        "Datacenter": "dc1",
        "TaggedAddresses": {
            "lan": "127.0.0.1",
            "wan": "127.0.0.1"
        },
        "NodeMeta": {
            "consul-network-segment": ""
        },
        "ServiceID": "csi",
        "ServiceName": "moguhu_server",
        "ServiceTags": [
            "dev"
        ],
        "ServiceAddress": "127.0.0.1",
        "ServiceMeta": {},
        "ServicePort": 8081,
        "ServiceEnableTagOverride": false,
        "CreateIndex": 10,
        "ModifyIndex": 10
    },
    {
        "ID": "5d452e6b-71e0-67ae-5169-c7e6342da53b",
        "Node": "Jacks-MacBook-Air.local",
        "Address": "127.0.0.1",
        "Datacenter": "dc1",
        "TaggedAddresses": {
            "lan": "127.0.0.1",
            "wan": "127.0.0.1"
        },
        "NodeMeta": {
            "consul-network-segment": ""
        },
        "ServiceID": "oc",
        "ServiceName": "moguhu_server",
        "ServiceTags": [
            "dev"
        ],
        "ServiceAddress": "127.0.0.1",
        "ServiceMeta": {},
        "ServicePort": 8082,
        "ServiceEnableTagOverride": false,
        "CreateIndex": 12,
        "ModifyIndex": 12
    }
]

这一方式当中主要就是OpenResty里面的相关配置。

OpenResty配置

upstreams.lua

local http = require "socket.http"
local ltn12 = require "ltn12"
local cjson = require "cjson"

local _M = {}

_M._VERSION="0.1"

function _M:update_upstreams()
	local resp = {}

	http.request{
	    url = "http://127.0.0.1:8500/v1/catalog/service/moguhu_server", sink = ltn12.sink.table(resp)
	}

	local resp = cjson.decode(resp)

	local upstreams = {}
	for i, v in ipairs(resp) do
     	upstreams[i+1] = {ip=v.Address, port=v.ServicePort}
   	end

  	ngx.shared.upstream_list:set("moguhu_server", cjson.encode(upstreams))
end

function _M:get_upstreams()
   local upstreams_str = ngx.shared.upstream_list:get("moguhu_server")
   return upstreams_str
end

return _M

nginx.conf

lua_shared_dict upstream_list 10m;

# 第一次初始化
init_by_lua_block {
    local upstreams = require "upstreams";
    upstreams.update_upstreams();
}

# 定时拉取配置
init_worker_by_lua_block {
    local upstreams = require "upstreams";
    local handle = nil;

    handle = function ()
        --TODO:控制每次只有一个worker执行
        upstreams.update_upstreams();
        ngx.timer.at(5, handle);
    end
    ngx.timer.at(5, handle);
}
...
upstream moguhu_server {
    server 0.0.0.1; #占位server

    balancer_by_lua_block {
        local balancer = require "ngx.balancer";
        local upstreams = require "upstreams";
        
        local tmp_upstreams = upstreams.get_upstreams();
        local ip_port = tmp_upstreams[math.random(1, table.getn(tmp_upstreams))];
        ngx.log(ngx.ERR, "current :=============", math.random(1, table.getn(tmp_upstreams)));
        balancer.set_current_peer(ip_port.ip, ip_port.port);
    }
}

server {
    listen       80;
    server_name  localhost;
    charset utf-8;
    location / {
         proxy_pass http://moguhu_server;
    }
}

上面通过balancer_by_lua_block去动态的设置了，upstream的服务器列表。然后启动OpenResty就可以了。

参考：《亿级流量网站架构核心技术》

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