无缝切换在线升级的终极探索

本文将介绍全年4个9（99.99%）的系统可用性方案

在系统的高可靠性里有个衡量其可靠性的标准——X个9，这个X是代表数字3~5。X个9表示在系统1年时间的使用过程中，系统可以正常使用时间与总时间（1年）之比

系统可用性的计算公式：A=MTBF/(MTBF+MTTR)

拿365天（1年）做计算吧，看看几个9要停机多久时间做能才能达到！

1年 = 365天 = 8760小时

99.9 = 8760 * 0.1% = 8760 * 0.001 = 8.76小时

99.99 = 8760 * 0.0001 = 0.876小时 = 0.876 * 60 = 52.6分钟

99.999 = 8760 * 0.00001 = 0.0876小时 = 0.0876 * 60 = 5.26分钟

本文设计技术点：

• LVS
• keepalived
• nginx
• 集群高可用
• spring cloud Nacos(其他服务注册中心同理)
• spring cloud Gateway（其他Api网关同理）
• spring boot（非Java应用同理）

LVS && Keepalived(了解)

LVS 是什么？

LVS 是 Linux Virtual Server(Linux 虚拟服务器) 的简称，目前 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分，LVS 工作在网络 4 层之上仅作分发之用，所以抗负载能力比较强。LVS 有完整的双机热备方案，几乎支持对所有应用做负载均衡。LVS 在互联网应用中的位置是在 Nginx 之上

LVS 该如何应用？

LVS 本身只是一个叫 IP_VS 的内核模块，这个模块可以做负载均衡，但是只用这个模块来做应用负载是远远不够的，比如 LVS 本身宕机后如何处理？实际生产环境中，一般配合 Keepalived 来使用 LVS，keepalived 支持 VRRP 心跳协议，可以实现 LVS 主备冗余，以解决 LVS 本身单点故障。另外，Keepalived 支持健康检测，网络 4 层和 7 层健康检测，防止服务器宕机。

Keepalived工作原理

Keepalived作为一个高性能集群软件，它还能实现对集群中服务器运行状态的监控以及故障隔离，下面我们介绍一下Keepalived对服务器运行状态和故障隔离的工作原理。

Keepalived工作在TCP/IP 模型的 三层（网络层）、四层（传输层）、七层（应用层），根据TCP、IP 模型各层所能实现的功能，Keepalived运行机制如下：

• 在网络层（3）：我们知道运行中有4个重要的协议。互联网络IP协议、互联网络可控制报文协议ICMP、地址转换协议ARP、反向地址转换协议RARP，Keepalived在网络层采用最常见的工作方式是通过ICMP协议向服务器集群中的每一个节点发送一个ICMP数据包(有点类似与Ping的功能)，如果某个节点没有返回响应数据包，那么认为该节点发生了故障，Keepalived将报告这个节点失效，并从服务器集群中剔除故障节点。
  
• 在传输层（4）：提供了两个主要的协议：传输控制协议TCP和用户数据协议UDP，传输控制协议TCP可以提供可靠的数据输出服务、IP地址和端口，代表TCP的一个连接端，要获得TCP服务，需要在发送机的一个端口和接收机的一个端口上建立连接，而Keepalived在传输层里利用了TCP协议的端口连接和扫描技术来判断集群节点的端口是否正常，比如对于常见的WEB服务器80端口。或者SSH服务22端口，Keepalived一旦在传输层探测到这些端口号没有数据响应和数据返回，就认为这些端口发生异常，然后强制将这些端口所对应的节点从服务器集群中剔除掉。
  
• 在应用层（7）：可以运行FTP，TELNET，SMTP，DNS等各种不同类型的高层协议，Keepalived的运行方式也更加全面化和复杂化，用户可以通过自定义Keepalived工作方式，例如：可以通过编写程序或者脚本来运行Keepalived，而Keepalived将根据用户的设定参数检测各种程序或者服务是否允许正常，如果Keepalived的检测结果和用户设定的不一致时，Keepalived将把对应的服务器从服务器集群中剔除
  

什么是VRRP？

VRRP可以将两台或者多台物理路由器设备虚拟成一个虚拟路由，这个虚拟路由器通过虚拟IP（一个或者多个)对外提供服务，而在虚拟路由器内部十多个物理路由器协同工作，同一时间只有一台物理路由器对外提供服务，这台物理路由设备被成为：主路由器（Master角色)，一般情况下Master是由选举算法产生，它拥有对外服务的虚拟IP，提供各种网络功能，如：ARP请求，ICMP 数据转发等，而且其它的物理路由器不拥有对外的虚拟IP，也不提供对外网络功能，仅仅接收MASTER的VRRP状态心跳信息，这些路由器被统称为BACKUP的角色”，当主路由器失败时，处于BACKUP角色的备份路由器将重新进行选举，产生一个新的主路由器进入MASTER角色，继续提供对外服务，整个切换对用户来说是完全透明的。

Lvs+Keepalived+nginx 接入层高可用（重点）

流量接入层技术演进架构历史概览

单机架构

• 浏览器通过DNS-server，域名解析到ip
• 浏览器通过ip访问web-server

缺点：

1. 非高可用，web-server挂了整个系统就挂了
2. 扩展性差，当吞吐量达到web-server上限时，无法扩容
   注：单机不涉及负载均衡的问题

简易扩容方案&DNS轮询

假设tomcat的吞吐量是1w次每秒，当系统总吞吐量达到3w时，如何扩容是首先要解决的问题，DNS轮询是一个很容易想到的方案：

• 多部署几份web-server，1个tomcat抗1000，部署3个tomcat就能抗3000
• 在DNS-server层面，域名每次解析到不同的ip

优点：

1. 零成本：在DNS-server上多配几个ip即可，功能也不收费
2. 部署简单：多部署几个web-server即可，原系统架构不需要做任何改造
3. 负载均衡：变成了多机，但负载基本是均衡的

缺点：

1. 非高可用：DNS-server只负责域名解析ip，这个ip对应的服务是否可用，DNS-server是不保证的，假设有一个web-server挂了，部分服务会受到影响
2. 扩容非实时：DNS解析有一个生效周期
3. 暴露了太多的外网ip

简易扩容方案&nginx

tomcat的性能较差，但nginx作为反向代理的性能就强多了，假设线上跑到1w，就比tomcat高了10倍，可以利用这个特性来做扩容：

• 站点层与浏览器层之间加入了一个反向代理层，利用高性能的nginx来做反向代理
• nginx将http请求分发给后端多个web-server

优点：

1. DNS-server不需要动
2. 负载均衡：通过nginx来保证
3. 只暴露一个外网ip，nginx->tomcat之间使用内网访问
4. 扩容实时：nginx内部可控，随时增加web-server随时实时扩容
5. 能够保证站点层的可用性：任何一台tomcat挂了，nginx可以将流量迁移到其他tomcat

缺点：

1. 时延增加+架构更复杂了：中间多加了一个反向代理层
2. 反向代理层成了单点，非高可用：tomcat挂了不影响服务，nginx挂了怎么办？

高可用方案&keepalived

为了解决高可用的问题，keepalived出场了

• 做两台nginx组成一个集群，分别部署上keepalived，设置成相同的虚IP，保证nginx的高可用
• 当一台nginx挂了，keepalived能够探测到，并将流量自动迁移到另一台nginx上，整个过程对调用方透明
• 

优点：

1. 解决了高可用的问题

缺点：

1. 资源利用率只有50%
2. nginx仍然是接入单点，如果接入吞吐量超过的nginx的性能上限怎么办，例如qps达到了50000咧？

纵向(scale up)扩容方案&lvs

nginx毕竟是软件，性能比tomcat好，但总有个上限，超出了上限，还是扛不住。lvs就不一样了，它实施在操作系统层面, 性能比nginx好很多，例如每秒可以抗10w，这样可以利用他们来扩容，常见的架构图如下：

• 如果通过nginx可以扩展多个tomcat一样，可以通过lvs来扩展多个nginx
• 通过keepalived+VIP的方案可以保证可用性
• 99.9999%的公司到这一步基本就能解决接入层高可用、扩展性、负载均衡的问题。

缺点 不管是使用lvs还是f5，这些都是scale up的方案，根本上，lvs/f5还是会有性能上限，假设每秒能处理10w的请求，一天也只能处理80亿的请求（10w秒吞吐量*8w秒），那万一系统的日PV超过80亿怎么办呢？（好吧，没几个公司要考虑这个问题）

横向(scale out)扩容方案&DNS轮询

水平扩展，是解决性能问题的根本方案，通过加机器扩充性能的方案才具备最好的扩展性。 facebook，google，baidu的PV是不是超过80亿呢，它们的域名只对应一个ip么，终点又是起点，还是得通过DNS轮询来进行扩容：

此时：

• 通过DNS轮询来线性扩展入口lvs层的性能
• 通过keepalived来保证高可用
• 通过lvs来扩展多个nginx
• 通过nginx来做负载均衡，业务七层路由

总结

• 接入层架构要考虑的问题域为：高可用、扩展性、反向代理+扩展均衡
• nginx、keepalived、lvs、f5可以很好的解决高可用、扩展性、反向代理+扩展均衡的问题
• 水平扩展scale out是解决扩展性问题的根本方案，DNS轮询是不能完全被nginx/lvs/f5所替代的
• 企业可用购买云平台的服务实现类似功能，节省人力时间成本
• 非云上企业也可以自行部署，上述所介绍的内容算是运维工程师的必备技能，并不会特别麻烦。

服务注册中心实时刷新与高可用

服务集群化

这一部分跳过了，微服务集群化部署的相关的文章很多，本文篇幅有限，想了解的朋友请自行查找阅读。

优雅停机

微服务架构中的应用优雅停机主要是指应用实例有计划而平滑（即不产生需要处理的事故）的退出。应用服务器的停机主要分为两类：主动停机和被动停机，而其中主动停机和大部分的被动停机都是可以实现优雅停机。如果应用不做优雅停机，则会带来以下情况：

• 数据丢失：内存的中数据尚未持久化至磁盘
• 文件损坏：正在操作写的文件因没有更新完成，导致文件损坏
• 请求丢失：排队中等待处理的请求丢失
• 响应丢失：成功的交易还没来得及做出响应
• 交易中断：正在处理至中间状态的交易被强制中断
• 服务未下线：上游服务依然还会继续往下游服务发送消费请求

微服务的优雅升级的目标就是避免以上几种情况，从而避免人工干预的工作量和提升微服务架构的服务高可靠。

使用场景

优雅停机可以解决以下场景：

• KILL PID
• 应用意外自动退出（System.exit(n)）
• 使用脚本命令的方式停止应用

优雅停机解决不了以下场景：

• 突然断电
• 机器物理破坏
• ILL-9 PID 或 taskkill /f /pid

Java的优雅停机 ShutdownHook

Java的优雅停机通常通过注册JDK的ShutdownHook（钩子）来实现，当系统接收到退出指令后，首先标记系统处于退出状态，不再接收新的消息，然后将积压的消息处理完，最后调用资源回收接口将资源销毁，最后各线程退出执行。简单的使用demo案例如下（简单版）：

/**
 * 优雅停机处理方式
 * 
 * @author lry
 **/
public class Main{
    /**
     * 启动应用
     **/
    public void start(){
        // 第一步：启动应用服务……
        // 第二步：注册JDK钩子
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("The hook running...");
                //第三步：调用停机处理
                stop();
            }
        }));
    }
    /**
     * 停止应用
     **/
    public void stop(){
        // 停止应用前停机处理(如：注销服务、标记不接受请求等)
    }
}
复制代码

注：通常优雅退出需要有超时控制机制，如果到达超时时间仍然没有完成退出前的资源回收等操作，则由停机脚本直接调用KILL -9 PID的方式进行强制退出，不然可能会等待很长时间。

微服务优雅停机

可以遵守以下建议规则来设计微服务的优雅停机机制

1. 所有微服务应用都应该支持优雅停机
2. 优先注销注册中心注册的服务实例
3. 待停机的服务应用的接入点标记拒绝服务（ShutdownHook）
4. 上游服务支持故障转移因优雅停机而拒绝的服务
5. 根据具体业务也提供适当的停机接口

微服务应用的优雅停机根据其使用者角色的不同，而主要分为两种类型

• 业务应用优雅停机
• 网关应用优雅停机

业务应用优雅停机设计

上图1-6步操作在大多数微服务框架中都已经集成了，无需开发人员自主开发，如果某些采用自研微服务框架的公司没有这方面功能，开发人员可以先行在自己负责的业务系统中编写ShutdownHook来完成相同操作。

网关应用优雅停机设计

如果不支持Nginx动态发现网关，则停机升级切换的过程需要人工接入，稍微费力点，但同样对用用户来说是无法感知到的。

总结

结合接入层的负载均衡高可用与微服务架构的高可用涉及，可以做到任意时间升级而不影响用户体验，不造成生产事故。但还是没实现全自动的流程，因为Nginx不支持动态发现网关并修改配置生效。

Nginx动态上下线站点

社区常用的 upstream 动态更新方案有 4 个4

• ngx_http_dyups_module提供了粗粒度的upstream管理方法，可以对整个upstream进行新增，删除。
• lua-upstream-nginx-module ，则提供了细粒度的管理方式，可以对某一个服务IP进行管理，其中提供的set_peer_down方法，可以对upstream中的某个ip进行上下线。
• ngx_dynamic_upstream这些插件有一个共同点，那就是在不需要重启nginx的基础上， 动态修改nginx的配置。

基于以上插件呢，可以略做修改，使其支持nacos/zookeeper/consol/erueka等注册中心的服务发现，定制需要的nginx reload upstream 动态更新模块即可。