聊聊负载均衡架构

一、负载均衡四大层级架构

​现代应用流量调度全景图

各层核心作用

  1. DNS层:实现地域级流量调度(如智能解析)
  2. LVS层:基于IP的4层负载,千万级并发支撑
  3. Nginx层:7层应用路由,支持HTTPS卸载
  4. 服务层:客户端负载均衡(如Ribbon)
  5. 数据层:数据库读写分离(如MyCAT)

二、五大负载算法

​轮询算法(Round Robin)

实现原理

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public class RoundRobinLoadBalancer {  
    privatefinal List<String> endpoints;  
    privatefinal AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);  

    public String next() {  
        int index = counter.getAndIncrement() % endpoints.size();  
        if (index < 0) {  
            counter.set(0);  
            index = 0;  
        }  
        return endpoints.get(index);  
    }  
}

致命缺陷:未考虑服务器性能差异 → 低配服务器先过载

​加权轮询(Weighted Round Robin)

动态权重配置

Nginx配置示例

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upstream backend {  
    server 192.168.1.10 weight=3; # 30%流量  
    server 192.168.1.11 weight=7; # 70%流量  
    server 192.168.1.12 backup;   # 备用节点  
}

​最少连接算法(Least Connections)

核心思想:将新请求分配给当前连接数最少的服务器

Java实现

复制代码
public String leastConnections() {  
    return endpoints.stream()  
        .min(Comparator.comparingInt(this::getActiveConnections))  
        .orElseThrow();  
}  

// 模拟获取连接数(真实场景从监控获取)  
private int getActiveConnections(String endpoint) {  
    return connectionStats.getOrDefault(endpoint, 0);  
}

​一致性哈希(Consistent Hashing)

解决痛点:分布式缓存扩容时大量缓存失效

虚拟节点实现

复制代码
public class ConsistentHash {  
    privatefinal SortedMap<Integer, String> circle = new TreeMap<>();  
    privatefinalint virtualNodes;  

    public void addNode(String node) {  
        for (int i = 0; i < virtualNodes; i++) {  
            String vNode = node + "#" + i;  
            int hash = hash(vNode);  
            circle.put(hash, node);  
        }  
    }  

    public String getNode(String key) {  
        if (circle.isEmpty()) returnnull;  
        int hash = hash(key);  
        SortedMap<Integer, String> tailMap = circle.tailMap(hash);  
        int nodeHash = tailMap.isEmpty() ? circle.firstKey() : tailMap.firstKey();  
        return circle.get(nodeHash);  
    }  
}

​自适应负载算法(AI预测)

动态预测模型

关键指标

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# 使用简单线性回归预测  
def predict_load(historical):  
    # 输入: [(time, cpu, mem, conns)]  
    X = [t[0] for t in historical]  
    y = [t[1] * 0.6 + t[2] * 0.3 + t[3] * 0.1 for t in historical]  
    model = LinearRegression().fit(X, y)  
    return model.predict([[next_time]])

三、高可用负载架构设计

​双活数据中心流量调度

故障切换策略

  1. 网络层:BGP Anycast实现IP级切换

  2. 应用层:Nginx主动健康检查

    server 192.168.1.10 max_fails=3 fail_timeout=30s;

  3. 服务层:Spring Cloud熔断降级

    @HystrixCommand(fallbackMethod = "defaultResult")
    public String service() { /* ... */ }

四、深度避坑指南

​陷阱1:缓存穿透引发雪崩

场景:某热点Key失效导致流量直击数据库

解决方案

复制代码
// 使用Google Guava缓存空值  
LoadingCache<String, Object> cache = CacheBuilder.newBuilder()  
    .maximumSize(1000)  
    .expireAfterWrite(30, TimeUnit.SECONDS)  
    .build(new CacheLoader<>() {  
        public Object load(String key) {  
            Object value = db.query(key);  
            return value != null ? value : NULL_OBJ; // 空对象占位  
        }  
    });

​陷阱2:TCP连接复用失衡

现象:长连接导致流量倾斜

解决方案

复制代码
# Nginx配置短连接  
upstream backend {  
    server 192.168.1.10;  
    keepalive 50; # 每worker最大连接数  
    keepalive_timeout 60s;  
}

​陷阱3:跨机房延迟导致超时

案例:北京调用上海服务频繁超时

优化方案

  1. 路由策略:优先同机房调用

  2. 超时配置

    feign:
    client:
    config:
    default:
    connectTimeout: 500
    readTimeout: 1000

  3. 降级策略

    // 上海服务不可用时使用本地缓存
    @Fallback(fallbackClass = LocalCacheService.class)
    public interface RemoteService {}

五、自研负载均衡器核心设计

​架构设计

​健康检查实现

复制代码
public class HealthChecker implements Runnable {  
    privatefinal List<ServerNode> nodes;  

    public void run() {  
        for (ServerNode node : nodes) {  
            boolean alive = checkNode(node);  
            node.setAlive(alive);  
        }  
    }  

    private boolean checkNode(ServerNode node) {  
        try (Socket socket = new Socket()) {  
            socket.connect(new InetSocketAddress(node.getIp(), node.getPort()), 500);  
            returntrue;  
        } catch (IOException e) {  
            returnfalse;  
        }  
    }  
}

总结

三层设计原则

五大核心原则

  1. 冗余设计:至少2个负载均衡节点形成集群
  2. 多级分流:DNS+LVS+Nginx+服务层分级调度
  3. 动态调整:基于实时指标自动更新权重
  4. 故障隔离:快速剔除异常节点
  5. 灰度发布:权重式流量切换

负载均衡的本质不是平均分配流量,而是让合适的请求到达合适的节点。

当你能从流量调度中看到业务特征,从算法选择中预见系统瓶颈,才算真正掌握了高并发架构的精髓。

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