摘要：因為我們認為正常情況下用戶的不會在短時間內(nèi)發(fā)生變化，所以當我們選擇使用策略進行負載均衡時，意味著期望同一個用戶能夠一直訪問到同一臺服務器上，就像下圖這樣。但是，我們還需要明白一個事實嚴格來說保持本質(zhì)上是破壞了做負載均衡的初衷。

本文長度為3056字，預計讀完需1.1MB流量，建議閱讀8分鐘。

這篇是《分布式關(guān)注點系列》中「負載均衡」相關(guān)的內(nèi)容最后一發(fā)了，后續(xù)也會繼續(xù)講「高可用」相關(guān)的其它主題，主要是限流、降級、熔斷之類的吧，具體還沒定。文末先附上之前發(fā)過的高可用相關(guān)文章，供你再溫故一下。

下面這個場景不知是否在你面前出現(xiàn)過。

開發(fā)Z哥對運維Y弟喊：“Y弟，現(xiàn)在系統(tǒng)好卡，剛上了一波活動，趕緊幫我加幾臺機器上去頂一下。”
Y弟回復說：“沒問題，分分鐘搞定”。
然后就發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的壓力迅速上升，DBA就吼了：“Z哥，你丫的搞什么呢？數(shù)據(jù)庫要被你弄垮了”。
然后客服那邊接框也爆炸了，越來越多的用戶說剛登陸后沒多久，操作著就退出了，接著登陸，又退出了，到底還做不做生意了。

這些問題背后都是由于一個「Session丟失」問題導致的。

相信Session對大部分Coder來說應該都知道。它是為了將同一個用戶的多次訪問在系統(tǒng)中被識別為“同一個用戶”而產(chǎn)生的概念。除此之外，還可以基于它來減少重復往DB或者遠程服務處獲取與該用戶相關(guān)的信息，以起到提升性能的作用。

在我們做了負載均衡的場景中，如果選擇的負載策略是hash策略，那么會使得Session產(chǎn)生一個副作用，這個副作用就如上面舉的案例那樣，用戶一旦由于某種原因從原先訪問服務器A變成訪問服務器B，就會出現(xiàn)“登陸狀態(tài)丟失”、“緩存穿透”等問題。

為什么hash策略會出現(xiàn)這個問題呢？首先有必要先了解一下hash是如何進行的。hash策略就是下圖這樣的一個散列函數(shù)。在函數(shù)不變的情況下，A永遠對應01，B對應04，C對應08。

▲圖片來源于網(wǎng)絡，版權(quán)歸原作者所有

以nginx中的ip_hash策略來舉個例子。因為我們認為正常情況下用戶的ip不會在短時間內(nèi)發(fā)生變化，所以當我們選擇使用ip_hash策略進行負載均衡時，意味著期望同一個用戶能夠一直訪問到同一臺服務器上，就像下圖這樣。

▲圖中的hash函數(shù)是最簡單的隨意舉例

如此一來，我們只需要在這一臺服務器上將這個用戶相關(guān)的信息緩存在進程內(nèi)，就能起到非常高性價比的提升性能的效果。

這時，客戶端與服務端之間的相當于建立了一個信任，相互認識。這個信任就是「Session」。

但是，當我們加了一臺服務器之后，事情就發(fā)生變化了。

▲圖中的hash函數(shù)是最簡單的隨意舉例

這個時候我們原先的預期就被破壞了。因為用戶與序號0節(jié)點的鏈接變成了與序號3的鏈接，所以產(chǎn)生了前面提到的「Session丟失」問題。與此同時，在序號0節(jié)點上做的進程內(nèi)緩存都無效了，而在序號3節(jié)點上又沒有用戶相關(guān)的任何緩存，導致大量數(shù)據(jù)需要從下游的DB或者遠程服務處獲取。你要知道，一旦涉及到網(wǎng)絡通信，性能必然明顯下降，I/O、序列化都是耗時的工作。更重要的是，一旦同時有大量用戶產(chǎn)生這個情況，由于后端的DB和遠程服務瞬時無法承載激增的高密度請求，可能會導致它掛起。這還沒完，如果當前程序沒有一些故障隔離或者降級策略，還會進一步產(chǎn)生蝴蝶效應，導致整個大系統(tǒng)響應緩慢。可謂“一顆老鼠屎壞了一鍋粥”。

既然以nginx舉例，還是從nginx開始聊。通過在nginx中引入nginx-sticky-module模塊可以來解決這個問題。解決的整個過程如下。

▲圖片來源于網(wǎng)絡，版本歸原作者所有

可以看到，當client第一次進入到nginx匹配節(jié)點的時候，在給它分配一個節(jié)點的同時，會將這個節(jié)點的唯一標識進行md5后寫入到cookie中一并返回，如果下次再發(fā)起請求的時候發(fā)現(xiàn)帶有這個cookie值，就直接轉(zhuǎn)發(fā)到該值所對應的節(jié)點上去。這個機制被專業(yè)的稱之為「Session保持」。

雖然可以利用cookie來解決這個問題，但是cookie也有一個潛在的問題，如果客戶端未開啟cookie功能，這個機制就失效了。不過好在目前主流瀏覽器都是默認打開cookie的。

題外話：nginx是2004年發(fā)布的，在nginx-sticky-module出現(xiàn)之前的7年間也是nginx相比競品HAProxy最大的一個短板，因為HAProxy支持Session保持。

除了cookie之外，還有2種方式也可以最終達到類似的效果。分別被稱為「Session復制」、「Session共享」。

這是最簡單粗暴的方式。根據(jù)第一節(jié)的案例來看，導致問題的原因是節(jié)點3沒有用戶的Session。那么很容易想到，在節(jié)點3運行之前把Session相關(guān)的Cache數(shù)據(jù)復制過去唄。并且在多個節(jié)點之間持續(xù)保證數(shù)據(jù)的同步，也就是說，每一臺節(jié)點上都存在每個用戶的Session數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)的方案有很多，特別是不同的宿主程序都或多或少提供了一些切入點，甚至是拿來即用的方案，如Tomcat的Delta Manager和Backup Manager、Tomcat和IIS的Filter機制等等，這里就不展開了。

此類方案的特點是

優(yōu)點：天然高可用，一部分節(jié)點宕機沒事。因為每一個節(jié)點上存放著所有已連接用戶的會話信息。

缺點：因為每臺計算機的內(nèi)存是有上限的，僅適用于會話相關(guān)的數(shù)據(jù)大小較小的場景。并且，由于多個節(jié)點之間需要同步數(shù)據(jù)，需要額外解決數(shù)據(jù)一致性問題。與此同時，隨著節(jié)點越多，損耗越大（延遲、帶寬等），有廣播風暴風險。

我們還可以通過將session信息存放到全局共享的存儲介質(zhì)中來達到一樣的效果，如數(shù)據(jù)庫、遠程緩存等，這是一種中心化思想的解決方案。

此類方案的特點是

優(yōu)點：不管節(jié)點怎么增加和減少，100%不會產(chǎn)生會話丟失。

缺點：每次讀寫請求都需要增加額外共享儲存調(diào)用，增加了網(wǎng)絡I/O、序列化等操作，性能明顯下降。另外，用作共享的存儲介質(zhì)除了增加了額外的維護成本外，還需要解決單點問題，以免產(chǎn)生系統(tǒng)性風險。

同之前「Session保持」方案一起對比下各自的優(yōu)缺點和適用場景。

分別用一句話概括一下這3個方案：

Session 保持。原來在哪還是去哪。

Session 復制。不管在哪都有一樣的數(shù)據(jù)。

Session 共享。所有節(jié)點共用一份數(shù)據(jù)。

越大型的系統(tǒng)，最終都會往「Session共享」這個方案上走，因為只要再對這個共享存儲做橫向擴展，理論上就可以支撐無窮大的用戶了。如Redis、一系列的NOSQL以及NEWSQL等。就像下面這樣，集「規(guī)模大」、「高可用」、「效果好」于一身。

現(xiàn)在你應該清楚了Session丟失問題，也知道了如何去應對他。但是，我們還需要明白一個事實：嚴格來說「Session保持」本質(zhì)上是破壞了做「負載均衡」的初衷。舉個極端點的場景：一共有10個會話連在了節(jié)點A上，并且都是活動中狀態(tài)。那么這個時候哪怕增加一個節(jié)點B上線，只要沒有新的會話進來，節(jié)點B上的活動連接數(shù)永遠是0，并沒有起到分擔壓力的作用。

但是，在系統(tǒng)的起步時期，其實用這樣簡單的方案也是極好的。

相關(guān)文章：

分布式系統(tǒng)關(guān)注點——初識「高可用」

分布式系統(tǒng)關(guān)注點——僅需這一篇，吃透「負載均衡」妥妥的

分布式系統(tǒng)關(guān)注點——如何去實施「負載均衡」？

? 關(guān)于作者：張帆（Zachary）。堅持用心打磨每一篇高質(zhì)量原創(chuàng)。本文首發(fā)于公眾號：「跨界架構(gòu)師」（ID：Zachary_ZF）。

微信公眾號（首發(fā)）：跨界架構(gòu)師。<-- 點擊后閱讀熱門文章
定期發(fā)表原創(chuàng)內(nèi)容：架構(gòu)設計丨分布式系統(tǒng)丨產(chǎn)品丨運營丨一些深度思考。
掃碼加入小圈子 ↓