分布式负载均衡算法之亲和性轮询原理

不管是在早期的负载均衡器中，仍是当前微服务基于客户端的负载均衡中，都有一个最基础的轮询算法，即将请求平均分布给多台机器,今天聊聊在此基础上, kube proxy是如何实现亲和性轮询的核心数据结构. 了解亲和性策略实现，失败重试等机制

1. 基础筑基

1.1 Service与Endpoints

Service和Endpoint是kubernetes中的概念，其中Service表明一个服务，后面一般会对应一堆pod，由于pod的ip并非固定的，用Servicel来提供后端一组pod的统一访问入口， 而Endpoints则是一组后端提供相同服务的IP和端口集合 在这节内容中你们知道这些就能够来，

1.2 轮询算法

轮询算法多是最简单的算法了，在go里面大多数实现都是经过一个slice存储当前能够访问的后端全部地址，而经过index来保存下一次请求分配的主机在slice中的索引

1.3 亲和性

亲和性实现上也相对简单，所谓亲和性其实就是当某个IP重复调用后端某个服务，则将其转发到以前转发的机器上便可

2. 核心数据结构实现

2.1 亲和性实现

2.1.1 亲和性之亲和性策略

亲和性策略设计上主要是分为三个部分实现： affinityPolicy：亲和性类型，即根据客户端的什么信息来作亲和性依据，如今是基于clientip affinityMap：根据Policy中定义的亲和性的类型做为hash的key, 存储clientip的亲和性信息 ttlSeconds: 存储亲和性的过时时间, 即当超过该时间则会从新进行RR轮询算法选择

type affinityPolicy struct {
	affinityType v1.ServiceAffinity // Type字段只是一个字符串不须要深究
	affinityMap  map[string]*affinityState // map client IP -> affinity info
	ttlSeconds   int
}

2.1.2 亲和性之亲和性状态

上面提到会经过affinityMap存储亲和性状态, 其实亲和性状态里面关键信息有两个endpoint(后端要访问的endpoint)和lastUsed(亲和性最后被访问的时间)

type affinityState struct {
	clientIP string
	//clientProtocol  api.Protocol //not yet used
	//sessionCookie   string       //not yet used
	endpoint string
	lastUsed time.Time 
}

2.2 Service数据结构之负载均衡状态

balancerState存储当前Service的负载均衡状态数据，其中endpoints存储后端pod的ip:port集合, index则是实现RR轮询算法的节点索引, affinity存储对应的亲和性策略数据

type balancerState struct {
	endpoints []string // a list of "ip:port" style strings
	index     int      // current index into endpoints
	affinity  affinityPolicy
}

2.3 负载均衡轮询数据结构

核心数据结构主要经过services字段来保存服务对应的负载均衡状态，并经过读写锁来进行service map进行保护

type LoadBalancerRR struct {
	lock     sync.RWMutex
	services map[proxy.ServicePortName]*balancerState
}

2.4 负载均衡算法实现

咱们只关注负载均衡进行轮询与亲和性分配的相关实现，对于感知service与endpoints部分代码，省略更新删除等逻辑, 下面章节是NextEndpoint实现

2.4.1 加锁与合法性效验

合法性效验主要是检测对应的服务是否存在，而且检查对应的endpoint是否存在

lb.lock.Lock()
	defer lb.lock.Unlock() // 加锁
	// 进行服务是否存在检测
	state, exists := lb.services[svcPort]
	if !exists || state == nil {
		return "", ErrMissingServiceEntry
	}
	// 检查服务是否有服务的endpoint
	if len(state.endpoints) == 0 {
		return "", ErrMissingEndpoints
	}
	klog.V(4).Infof("NextEndpoint for service %q, srcAddr=%v: endpoints: %+v", svcPort, srcAddr, state.endpoints)

2.4.2 亲和性类型支持检测

经过检测亲和性类型，肯定当前是否支持亲和性，即经过检查对应的字段是否设置

sessionAffinityEnabled := isSessionAffinity(&state.affinity)

func isSessionAffinity(affinity *affinityPolicy) bool {
	// Should never be empty string, but checking for it to be safe.
	if affinity.affinityType == "" || affinity.affinityType == v1.ServiceAffinityNone {
		return false
	}
	return true
}

2.4.3 亲和性匹配与最后访问更新

亲和性匹配则会优先返回对应的endpoint,可是若是此时该endpoint已经访问失败了，则就须要从新选择节点，就须要重置亲和性

var ipaddr string
	if sessionAffinityEnabled {
		// Caution: don't shadow ipaddr
		var err error
        // 获取对应的srcIP当前是根据客户端的ip进行匹配
		ipaddr, _, err = net.SplitHostPort(srcAddr.String())
		if err != nil {
			return "", fmt.Errorf("malformed source address %q: %v", srcAddr.String(), err)
		}
        
        // 亲和性重置，默认状况下是false, 可是若是当前的endpoint访问出错，则须要重置
        // 由于已经链接出错了，确定要从新选择一台机器，当前的亲和性就不能继续使用了
		if !sessionAffinityReset {
            // 若是发现亲和性存在，则返回对应的endpoint
			sessionAffinity, exists := state.affinity.affinityMap[ipaddr]
			if exists && int(time.Since(sessionAffinity.lastUsed).Seconds()) < state.affinity.ttlSeconds {
				// Affinity wins.
				endpoint := sessionAffinity.endpoint
				sessionAffinity.lastUsed = time.Now()
				klog.V(4).Infof("NextEndpoint for service %q from IP %s with sessionAffinity %#v: %s", svcPort, ipaddr, sessionAffinity, endpoint)
				return endpoint, nil
			}
		}
	}

2.4.4 根据clientIP构建亲和性状态

// 获取一个endpoint, 并更新索引
	endpoint := state.endpoints[state.index]
	state.index = (state.index + 1) % len(state.endpoints)

	if sessionAffinityEnabled {
		// 保存亲和性状态
		var affinity *affinityState
		affinity = state.affinity.affinityMap[ipaddr]
		if affinity == nil {
			affinity = new(affinityState) //&affinityState{ipaddr, "TCP", "", endpoint, time.Now()}
			state.affinity.affinityMap[ipaddr] = affinity
		}
		affinity.lastUsed = time.Now()
		affinity.endpoint = endpoint
		affinity.clientIP = ipaddr
		klog.V(4).Infof("Updated affinity key %s: %#v", ipaddr, state.affinity.affinityMap[ipaddr])
	}

	return endpoint, nil

好了，今天的分析就到这里，但愿能帮组到你们，了解亲和性轮询算法的实现， 学习到核心的数据结构设计，以及在产生中应对故障的一些设计，就到这里，感谢你们分享关注，谢谢你们

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