负载均衡器Ribbon原理及实战演练

喜欢ヅ旅行 2023-10-03 23:29 32阅读 0赞

**目录**

一、负载均衡原理

二、Ribbon 原理及使用

三、Loadbalancer 原理及使用

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负载均衡器Ribbon在微服务领域是很常用的服务调用、负载均衡的中间件,其面包含Loadbalancer专门负载负载均衡；比如Eureka、Fegin,Nacos的注册中心jar包里面均包含Ribbon相关的jar,如图显示nacos

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今天我们详细分析一下其原理和实战内容。

## 一、负载均衡原理 ##

负载均衡（Load Balance），其含义就是指将负载（工作任务）进行平衡、分摊到多个操作单元上进行运行，例如FTP服务器、Web服务器、企业核心应用服务器和其它主要任务服务器等，从而协同完成工作任务。目前主流的负载均衡方案分为以下两种：  
集中式负载均衡，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，有硬件的（比如F5），也有软件的（比如 Nginx）；客户端根据自己的请求情况做负载均衡，Ribbon 就属于客户端自己做负载均衡。

1、客户端负载均衡

比如spring cloud中的ribbon，客户端会有一个服务器地址列表，在发送请求前通过负载均衡算法选择一个服务器，然后进行访问，这是客户端负载均衡；即在客户端就进行负载均衡算法分配，eureka 为注册中心为例，如下：

![7bb2149db4fe42c79f1feb866604cee2.png][]

2、服务端负载均衡

例如Nginx，通过Nginx进行负载均衡，先发送请求，然后通过负载均衡算法，在多个服务器之间选择一个进行访问；即在服务器端再进行负载均衡算法分配。

![ee65607d4e1c4621966d13008d397658.png][]

3、常见负载均衡算法

3.1、随机:通过随机选择服务进行执行，一般这种方式使用较少;  
3.2、轮训:负载均衡默认实现方式，请求来之后排队处理;  
3.3、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;  
3.4、地址hash:通过客户端请求的地址的hash值取模映射进行服务器调度。  
3.5、最小连接数:即使请求均衡了，压力不一定会均衡，最小连接数法就是根据服务器的情况，比 如请求积压数等参数，将请求分配到当前压力最小的服务器上。

## 二、Ribbon 原理及使用 ##

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也可以实现自己的负载均衡算法。

1、Spring Cloud Alibaba整合Ribbon

[上篇文章有详解][Link 1]

2、Ribbon 内核原理

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2.1、模拟Ribbon 伪代码实现

import com.nandao.common.utils.R;
    import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
    import org.springframework.cloud.client.ServiceInstance;
    import org.springframework.cloud.client.discovery.DiscoveryClient;
    import org.springframework.web.bind.annotation.*;
    import org.springframework.web.client.RestTemplate;
    
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    /**
     * @author nandao
     */
    @RestController
    @RequestMapping("/user")
    public class UserController {
    
        @Autowired
        private RestTemplate restTemplate;
    
        @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId/{id}")
        public R  findOrderByUserId(@PathVariable("id") Integer id) {
            // restTemplate调用,url写死
            //String url = "http://localhost:8020/order/findOrderByUserId/"+id;
            //模拟ribbon实现
            String url = getUri("mall-order")+"/order/findOrderByUserId/"+id;
            // ribbon实现，restTemplate需要添加@LoadBalanced注解
         //   String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
            R result = restTemplate.getForObject(url,R.class);
            return result;
        }
    
        @Autowired
        private DiscoveryClient discoveryClient;//cloud客户端实现
    
        public String getUri(String serviceName) {
            // 获取服务的实例
            List<ServiceInstance> serviceInstances = discoveryClient.getInstances(serviceName);
            if (serviceInstances == null || serviceInstances.isEmpty()) {
                return null;
            }
            int serviceSize = serviceInstances.size();
            //轮询
            int indexServer = incrementAndGetModulo(serviceSize);
            return serviceInstances.get(indexServer).getUri().toString();
        }
    
        private AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger(0);
    
        private int incrementAndGetModulo(int modulo) {
            for (;;) {
                int current = nextIndex.get();
                int next = (current + 1) % modulo;
                if (nextIndex.compareAndSet(current, next) && current < modulo){
                    return current;
                }
            }
        }
    }

2.2、@Loadbalanced原理

@LoadBalanced使用了@Qualifier，spring中@Qualifier用于筛选限定注入Bean。  
@LoadBalanced利用@Qualifier作为restTemplates注入的筛选条件，筛选出具有负载均衡标识的RestTemplate。

@LoadBalanced//此注解的RestTemplate对象都会放到这个集合里面
    	@Autowired(required = false)
    	private List<RestTemplate> restTemplates = Collections.emptyList();

被@LoadBalanced注解的restTemplate会被定制，添加LoadBalancerInterceptor拦截  
器。

@Bean
    	public SmartInitializingSingleton loadBalancedRestTemplateInitializerDeprecated(
    			final ObjectProvider<List<RestTemplateCustomizer>> restTemplateCustomizers) {
    		return () -> restTemplateCustomizers.ifAvailable(customizers -> {
                //循环添加restTemplate到定制的RestTemplateCustomizer中
    			for (RestTemplate restTemplate : LoadBalancerAutoConfiguration.this.restTemplates) {
    				for (RestTemplateCustomizer customizer : customizers) {
    					customizer.customize(restTemplate);
    				}
    			}
    		});
    	}
    
    
    
        @Configuration(proxyBeanMethods = false)
    	@ConditionalOnMissingClass("org.springframework.retry.support.RetryTemplate")
    	static class LoadBalancerInterceptorConfig {
    
    		@Bean
    		public LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor(
    				LoadBalancerClient loadBalancerClient,
    				LoadBalancerRequestFactory requestFactory) {
                //初始化拦截器
    			return new LoadBalancerInterceptor(loadBalancerClient, requestFactory);
    		}
    
    		@Bean
    		@ConditionalOnMissingBean
    		public RestTemplateCustomizer restTemplateCustomizer(
    				final LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
    			return restTemplate -> {
    				List<ClientHttpRequestInterceptor> list = new ArrayList<>(
    						restTemplate.getInterceptors());
    				list.add(loadBalancerInterceptor);//添加loadBalancerInterceptor拦截器
    				restTemplate.setInterceptors(list);
    			};
    		}
    
    	}

注意： SmartInitializingSingleton是在所有的bean都实例化完成之后才会调用的，所以在  
bean的实例化期间使用@LoadBalanced修饰的restTemplate是不具备负载均衡作用的，比如使用@PostConstruct 注解下的接口远程调用就不具备负载均衡作用，报错找不到服务。

如果不使用@LoadBalanced注解，也可以通过添加LoadBalancerInterceptor拦截器让  
restTemplate起到负载均衡器的作用。

@Bean
        public RestTemplate restTemplate(LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
            RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
            //注入loadBalancerInterceptor拦截器
            restTemplate.setInterceptors(Arrays.asList(loadBalancerInterceptor));
            return restTemplate;
        }

LoadBalancerInterceptor 拦截器核心功能

@Override
    	public ClientHttpResponse intercept(final HttpRequest request, final byte[] body,
    			final ClientHttpRequestExecution execution) throws IOException {
    		final URI originalUri = request.getURI();
    		String serviceName = originalUri.getHost();//拿服务名称换负载一个ip地址
    		Assert.state(serviceName != null,
    				"Request URI does not contain a valid hostname: " + originalUri);
            //正式调用
    		return this.loadBalancer.execute(serviceName,
    				this.requestFactory.createRequest(request, body, execution));
    	}

3、Ribbon 扩展功能

3.1、Ribbon相关接口

参考： org.springframework.cloud.netflix.ribbon.RibbonClientConfiguration 源码类：

IClientConfig：Ribbon的客户端配置，默认采用DefaultClientConfigImpl实现。  
IRule：Ribbon的负载均衡策略，默认采用ZoneAvoidanceRule实现，该策略能够在多区域环境下选出最佳区域的实例进行访问。  
IPing：Ribbon的实例检查策略，默认采用DummyPing实现，该检查策略是一个特殊的实现，实际上它并不会检查实例是否可用，而是始终返回true，默认认为所有服务实例都是可用的。  
ServerList：服务实例清单的维护机制，默认采用ConfigurationBasedServerList实现。  
ServerListFilter：服务实例清单过滤机制，默认采ZonePreferenceServerListFilter，该策略能够优先过滤出与请求方处于同区域的服务实例。  
ILoadBalancer：负载均衡器，默认采用ZoneAwareLoadBalancer实现，它具备了区域感知的能力。

3.2、Ribbon 负载均衡策略

![f09545f3556a49ebb81336e6429f513d.png][]

1). RandomRule： 随机选择一个Server。  
2). RetryRule： 对选定的负载均衡策略机上重试机制，在一个配置时间段内当选择Server不成功，则一直尝试使用subRule的方式选择一个可用的server。  
3). RoundRobinRule： 轮询选择， 轮询index，选择index对应位置的Server。  
4). AvailabilityFilteringRule： 过滤掉一直连接失败的被标记为circuit tripped的后端Server，并过滤掉那些高并发的后端Server或者使用一个AvailabilityPredicate来包含过滤server的逻辑，其实就是检查status里记录的各个Server的运行状态。  
5). BestAvailableRule： 选择一个最小的并发请求的Server，逐个考察Server，如果Server被 tripped了，则跳过。  
6). WeightedResponseTimeRule： 根据响应时间加权，响应时间越长，权重越小，被选中的可能 性越低。  
7). ZoneAvoidanceRule： 默认的负载均衡策略，即复合判断Server所在区域的性能和Server的可 用性选择Server，在没有区域的环境下，类似于轮询。  
8). NacosRule: 优先调用同一集群的实例，基于随机权重。

3.3、修改默认负载均衡策略

mall-order:
      ribbon:
        #指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机&权重）
        NFLoadBalancerRuleClassName: com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule

3.4、自定义负载均衡策略

全局配置

import com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule;
    import com.netflix.loadbalancer.IRule;
    import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;
    
    /**
     * @author nandao
     */
    @Configuration
    public class RibbonConfig {
    
        /**
         * 全局配置
         * 指定负载均衡策略
         * @return
         */
        @Bean
        public IRule ribbonRule() {
            // 指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机权重）
            return new NacosRule();
        }
    }

局部配置

mall-order:
      ribbon:
        #指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机&权重）
        #NFLoadBalancerRuleClassName: com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule
      # 自定义的负载均衡策略（基于随机&权重）
        NFLoadBalancerRuleClassName: com.nandao.mall.ribbondemo.rule.NacosRandomWithWeightRule

NacosRandomWithWeightRule 类

import com.alibaba.cloud.nacos.NacosDiscoveryProperties;
    import com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosServer;
    import com.alibaba.nacos.api.exception.NacosException;
    import com.alibaba.nacos.api.naming.NamingService;
    import com.alibaba.nacos.api.naming.pojo.Instance;
    import com.netflix.client.config.IClientConfig;
    import com.netflix.loadbalancer.AbstractLoadBalancerRule;
    import com.netflix.loadbalancer.DynamicServerListLoadBalancer;
    import com.netflix.loadbalancer.Server;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
    
    /**
     * @author nandao
     */
    @Slf4j
    public class NacosRandomWithWeightRule extends AbstractLoadBalancerRule {
    
        @Autowired
        private NacosDiscoveryProperties nacosDiscoveryProperties;
    
        @Override
        public Server choose(Object key) {
            DynamicServerListLoadBalancer loadBalancer = (DynamicServerListLoadBalancer) getLoadBalancer();
            String serviceName = loadBalancer.getName();
            NamingService namingService = nacosDiscoveryProperties.namingServiceInstance();
    
            try {
                //nacos基于随机权重的算法
                Instance instance = namingService.selectOneHealthyInstance(serviceName);
                log.info(instance.getIp()+":"+instance.getPort());
                return new NacosServer(instance);
            } catch (NacosException e) {
                log.error("获取服务实例异常：{}", e.getMessage());
                e.printStackTrace();
            }
            return null;
        }
    
        @Override
        public void initWithNiwsConfig(IClientConfig clientConfig) {
    
        }
    
    }

4.5、饥饿加载

在进行服务调用的时候，如果网络情况不好，第一次调用会超时。Ribbon默认懒加载，意味着只有在发起调用的时候才会创建客户端，开启饥饿加载，解决第一次调用慢的问题。参数配置：

ribbon:
      eager-load:
        # 开启ribbon的饥饿加载模式
        enabled: true
        # 指定需要饥饿加载的服务名，也就是你需要调用的服务，如果有多个服务，则用逗号隔开
        clients: mall-order

客户端启动标识：

![926464fa9bfe42f2933c33cbe5de084b.png][] 即服务启动时就加载成功了！

## 三、Loadbalancer 原理及使用 ##

Spring Cloud LoadBalancer是Spring Cloud官方自己提供的客户端负载均衡器, 用来替代Ribbon。  
Spring官方提供了两种客户端都可以使用loadbalancer如下：  
RestTemplate：RestTemplate是Spring提供的用于访问Rest服务的客户端，RestTemplate提供了多种便捷访问远程Http服务的方法，能够大大提高客户端的编写效率。默认情况下，RestTemplate默认依赖jdk的HTTP连接工具。  
WebClient：WebClient是从Spring WebFlux 5.0版本开始提供的一个非阻塞的基于响应式编程的进行Http请求的客户端工具。它的响应式编程的基于Reactor的。WebClient中提供了标准Http请求方式对应的get、post、put、delete等方法，可以用来发起相应的请求。

1、RestTemplate整合LoadBalancer

1.1、引入依赖

<dependency>
                <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
                <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery</artifactId>
                <exclusions>
                    <exclusion>
                        <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
                        <artifactId>spring‐cloud‐starter‐netflix‐ribbon</artifactId>
                    </exclusion>
                </exclusions>
            </dependency>
    
            
            <dependency>
                <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
                <artifactId>spring-cloud-starter-loadbalancer</artifactId>
            </dependency>

注意： nacos-discovery中引入了ribbon，需要移除ribbon的包如果不移除，也可以在yml中配置不使用ribbon。默认情况下，如果同时拥有RibbonLoadBalancerClient和BlockingLoadBalancerClient，为了保持向后兼容性，将使用RibbonLoadBalancerClient。

![f82767a92a124b7f92c12bddce4178ec.png][]

另外要覆盖它，可以设置spring.cloud.loadbalancer.ribbon.enabled属性为false。

spring:
      application:
        name: mall-user-loadbalancer-demo  #微服务名称
    
      #配置nacos注册中心地址
      cloud:
        nacos:
          discovery:
            server-addr: 116.204.80.152:8848
            namespace: 2aa2111a-3470-4f69-9994-e9d288e20a62
            group: wanghuainan
    
        # 不使用ribbon，使用loadbalancer
        loadbalancer:
          ribbon:
            enabled: false

1.2、使用@LoadBalanced注解修饰RestTemplate，开启客户端负载均衡功能

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

1.3、接口调用

@RestController
     @RequestMapping("/user")
     public class UserController {
     
     @Autowired
     private RestTemplate restTemplate;
     
     @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId/{id}")
     public R findOrderByUserId(@PathVariable("id") Integer id) {
        String url = "http://mall‐order/order/findOrderByUserId/"+id;
        R result = restTemplate.getForObject(url,R.class);
        return result;
      }
    }

2、WebClient整合LoadBalancer

2.1、引入依赖

在上面依赖的基础上添加

<dependency>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>
            </dependency>

2.2、配置WebClient作为负载均衡器的client

import org.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalanced;
    import org.springframework.context.annotation.Bean;
    import org.springframework.context.annotation.Configuration;
    import org.springframework.web.reactive.function.client.WebClient;
    
    @Configuration
    public class WebClientConfig {
    
      @LoadBalanced
      @Bean
      WebClient.Builder webClientBuilder() {
        return WebClient.builder();
      }
    
      @Bean
      WebClient webClient() {
        return webClientBuilder().build();
      }
    
    }

2.3、接口调用

@Autowired
        private WebClient webClient;
    
        @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId2/{id}")
        public Mono<R> findOrderByUserIdWithWebClient(@PathVariable("id") Integer id) {
    
            String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
            //基于WebClient
            Mono<R> result = webClient.get().uri(url).retrieve().bodyToMono(R.class);
            return result;
        }

原理： 底层会使用ReactiveLoadBalancer，类图显示：

![4f13ac6d5f3c4de3a42e5fe1a79a64e6.png][]

引入webFlux

@Autowired
        private ReactorLoadBalancerExchangeFilterFunction lbFunction;
    
        @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId3/{id}")
        public Mono<R> findOrderByUserIdWithWebFlux(@PathVariable("id") Integer id) {
    
            String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
            //基于WebClient+webFlux
            Mono<R> result = WebClient.builder()
                    .filter(lbFunction)
                    .build()
                    .get()
                    .uri(url)
                    .retrieve()
                    .bodyToMono(R.class);
            return result;
        }

到此、负载均衡器Ribbon原理及实战演练分享完毕，有时间一定要多多练习。

[9214357758b047d49dd916fa221d2259.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/9214357758b047d49dd916fa221d2259.png
[7bb2149db4fe42c79f1feb866604cee2.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/7bb2149db4fe42c79f1feb866604cee2.png
[ee65607d4e1c4621966d13008d397658.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ee65607d4e1c4621966d13008d397658.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/nandao158/article/details/128632529
[084389fab0a9462fa3d1b2804ae0480f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/084389fab0a9462fa3d1b2804ae0480f.png
[f09545f3556a49ebb81336e6429f513d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/f09545f3556a49ebb81336e6429f513d.png
[926464fa9bfe42f2933c33cbe5de084b.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/926464fa9bfe42f2933c33cbe5de084b.png
[f82767a92a124b7f92c12bddce4178ec.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/f82767a92a124b7f92c12bddce4178ec.png
[4f13ac6d5f3c4de3a42e5fe1a79a64e6.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/4f13ac6d5f3c4de3a42e5fe1a79a64e6.png