开源负载均衡通讯分发器(LB dispatcher) - G5

from：http://bbs.csdn.net/topics/390753043

1.开发背景
今天和系统运维的老大聊天，谈到一直在用的F5，行里对其评价为价格过高、功能复杂难懂，反正印象不是很好，使用前景不明。因为以前我曾经给行里开发过一个通讯中间件，附带软实现了负载均衡，几年使用下来一直效果不错，突然想自己再软实现一个纯负载均衡通讯分发器，并开源分享给大家。
说干就干，回到家，搜了一下网上同类软件，整理技术需求，定义设计目标如下：
* 支持长/短TCP，后续还会支持UDP
* 与应用层协议无关，即支持HTTP,FTP,TELNET,SSH等等所有应用层协议
* 稳定高效，Linux下首选epoll(ET模式)，全异步设计，也决定了目前仅支持Linux
* 基于分发规则，支持远程、在线管理规则和查询状态
* 支持多种主流负载均衡算法
* 源码和可执行程序体型轻巧，概念简单，使用快捷
定义使用场景如下：
* 通讯转发、分发
* 与无负载均衡功能的通讯软件配合实现本地连接对端的负载均衡分发，避免改造通讯软件带来的工作量和风险
* 低成本的网站前端负载均衡通讯网关

研发之前，取个好听的名字，相对于硬实现F5，就取名为软实现G5吧 ^_^
经过5个晚上的奋笔疾书，捣鼓出v1.0.0，源代码只有一个.c(2000行)和一个.h文件(200行)，编译链接出可执行程序约60KB大小。

2.安装部署
从http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5下载源码安装包，在你的临时目录解开
$ tar xvzf G5-x.x.x.tar.gz
$ cd G5-x.x.x/src
$ make -f makefile.Linux clean
$ make -f makefile.Linux install
因为只有一对源文件，所以编译链接很快，也便于编译器优化，更便于你自己手工编译。
如果不报错的话，可执行程序G5就安装到/usr/bin/下了。

3.基本使用
3.1.命令行参数
不带参数执行G5会显示版本、命令行参数说明等信息
$ G5
G5 - tcp LB dispatcher
v1.0.0 build Apr  6 2014 15:00:31 WITH 100:1024:4096,10:3:100,64
Copyright by calvin 2014
Email : calvinwilliams.c@gmail.com

USAGE : G5 -f config_pathfilename [ -r forward_rule_maxcount ] [ -s forward_session_maxcount ] [ -b transfer_bufsize ] [ -d ]

3.1.启动
因为是工具型软件，所以用户界面设计的比较简单，自行编写一个分发规则配置文件
$ cat demo.conf
admin      G        192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
webdog     MS       192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
webdog2    RR       *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
作为G5唯一一个必须的命令行参数-f启动
$ G5 -f demo.conf
forward_rule_maxcount    [100]
forward_session_maxcount [1024]
transfer_bufsize         [4096]bytes
epoll_create ok #3#
admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060(LISTEN)#5# ;
webdog MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070(LISTEN)#7# > 192.168.1.79:8088 ;
webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080(LISTEN)#8# > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
...
之后产生的所有普通信息、错误都输出到标准输出、错误输出上，如果启动参数加上-d，则还会输出所有调试信息，如连接、断开、数据分发

我模拟发起一个HTTP请求
$ lynx http://192.168.1.54:8080/index.php
G5的标准输出上产生如下信息
forward2 [192.168.1.54:43477]#3# - [192.168.1.54:8080]#7# > [192.168.1.79:8089]#8#
transfer #3# [324]bytes to #8#
transfer #8# [257]bytes to #3#
close #8# recv 0
说明一下
192.168.1.54:43477(lynx)连接192.168.1.54:8080(G5)被转发到网站服务器192.168.1.79:8089(apache)
lynx发送了HTTP请求324字节给网站服务器
lynx从网站服务器接收了HTTP响应257字节
服务端首先断开连接

一般都使用nohup使其变为守护进程，输出导向到文件
$ nohup G5 demo.conf >demo.log 2>&1 &

3.2.停止
别客气，直接kill (pid)即可。

4.配置文件
配置文件里一行为一条转发规则，每条规则由三大段组成：规则名称、规则类型和规则实体，之间用白字符（空格、TAB）隔开。
规则名称唯一标识该规则，便于新增、修改和删除规则。
规则类型说明该规则是在线管理(G)，还是以某种通讯分发算法。目前实现的算法列表如下
MS : 主备模式，即一直连接第一个目标地址，如果第一个目标地址故障了，切换到下一个目标地址
RR : 轮询模式，把所有目标地址按次序依次循环使用
LC : 最少连接数模式，在目标地址集合中挑选当前最少连接的目标
RT : 最小响应时间模式，在目标地址集合中挑选历史数据交换最快的目标
RD : 随机模式，随机选择目标地址
HS : HASH模式，根据来源地址计算HASH得到一个唯一固定的目标地址
规则实体格式为"来源地址集合 - 本地转发地址集合 > 目标地址集合 ;"，其中三个地址集合内可以包含一个地址或白字符隔开的地址列表。单个地址由"IP:PORT"组成。来源单个地址中的IP和PORT可以使用'*'和'?'通配。当只有一个目标地址时，通讯分发算法就没有意义了。

回来解释一下前面展示的配置文件
$ cat demo.conf
# 只允许本机192.168.1.54连接到G5在线管理规则
admin      G        192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
# 本地所有TCP连接到本机8070端口时统统转发到192.168.1.79:8088
# 用于跨网段的通讯转发
webdog     MS       192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
# 允许所有主机连接192.168.1.79:8089，并以轮询算法分发给三个服务器192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091
# 用于网站前端负载均衡通讯节点
webdog2    RR       *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
还简单吧

5.在线管理
G5在启动时必须指定一个配置文件装载所有规则并以之工作，也支持远程连接上管理端口在线管理规则，用telnet即可
$ telnet 192.168.1.54 8060
Trying 192.168.1.54...
Connected to rhel54 (192.168.1.54).
Escape character is '^]'.
>
'>'为输入提示符，后面可以键入的命令有
ver : 显示G5版本及编译日期时间
quit : 断开管理连接
list rules : 显示当前所有转发规则
add rule (...规则...) : 新增转发规则
modify rule (...规则...) : 修改转发规则
remove rule (规则名称) : 删除转发规则
dump rule : 保存所有转发规则到启动时指定的配置文件中
list forwards : 显示当前所有转发连接信息

使用示例
$ telnet 192.168.1.54 8060
Trying 192.168.1.54...
Connected to rhel54 (192.168.1.54).
Escape character is '^]'.
> ver
version v1.0.0 build Apr  3 2014 08:05:54
> list rules
    1 : admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
    2 : webdog MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
    3 : webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
> add rule webdog3 MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
add forward rule ok
> modify rule webdog3 HS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
modify forward rule ok
> remove rule webdog3
remove forward rule ok
> dump rules
dump all forward rules ok
> list forwards
    1 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#5#
    2 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#6#
    3 : LISTEN [192.168.1.54:8070]#7#
    4 : LISTEN [192.168.1.54:8080]#8#
    5 : CLIENT [192.168.1.54:54162]#4# - MANAGE [192.168.1.54:8060]#5#
 2138 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
 2139 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
 2140 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
 2141 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
 2142 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
 2143 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
 2144 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
 2145 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
 2146 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
 2147 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
 2148 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
 2149 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
 2150 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
 2151 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
 2152 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
 2153 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
 2154 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
 2155 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
 2156 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
 2157 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
> quit
Connection closed by foreign host.
$

6.性能测试
因为是简单的通讯转发、分发器，内部使用epoll(ET)+全异步实现，达到高并发和充分负载均衡，几乎可以榨干单核硬件资源。
由于我没有完整靠谱的压测环境，只能在我的老爷机上做直连和通过G5转连的性能比较差异。

压测硬件（2007年买的老爷机）
CPU  : Intel Dual E2160 1.8GHz 1.81GHz
内存 : 2GB
硬盘 : 希捷 250GB 7200转
压测软件
Windows XP SP3 ( VMware 6.0 ( RedHat Enterprise Linux 5.4 分了256MB内存 ) )
压测场景
ab直连apache 和 ab通过G5转发给apache
并发数100，总请求数10000次

首先是192.168.1.54:*(apache ab)直连192.168.1.79:8090(apache 2.2.13 for win32)，

Server Software:        Apache/2.2.13
Server Hostname:        192.168.1.79
Server Port:            8090

Document Path:          /index.html
Document Length:        44 bytes

Concurrency Level:      100
Time taken for tests:   12.503706 seconds
Complete requests:      10000
Failed requests:        0
Write errors:           0
Total transferred:      3160000 bytes
HTML transferred:       440000 bytes
Requests per second:    799.76 [#/sec] (mean)
Time per request:       125.037 [ms] (mean)
Time per request:       1.250 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate:          246.73 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)
             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:        0    0   4.4      0      86
Processing:    11  123  31.7    113     283
Waiting:        8  122  31.6    112     281
Total:         28  123  31.9    113     284

Percentage of the requests served within a certain time (ms)
 50%    113
 66%    115
 75%    117
 80%    120
 90%    163
 95%    187
 98%    249
 99%    256
100%    284 (longest request)

然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(主备模式MS)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

Server Software:        Apache/2.2.13
Server Hostname:        192.168.1.54
Server Port:            8080

Document Path:          /index.html
Document Length:        44 bytes

Concurrency Level:      100
Time taken for tests:   14.235889 seconds
Complete requests:      10000
Failed requests:        0
Write errors:           0
Total transferred:      3160000 bytes
HTML transferred:       440000 bytes
Requests per second:    702.45 [#/sec] (mean)
Time per request:       142.359 [ms] (mean)
Time per request:       1.424 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate:          216.71 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)
             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:        0    0   8.3      0     154
Processing:    25  140  31.3    132     335
Waiting:       22  139  31.2    131     334
Total:         70  140  32.3    132     338

Percentage of the requests served within a certain time (ms)
 50%    132
 66%    134
 75%    137
 80%    140
 90%    175
 95%    190
 98%    275
 99%    295
100%    338 (longest request)

然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(轮询模式RR)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

Server Software:        Apache/2.2.13
Server Hostname:        192.168.1.54
Server Port:            8080

Document Path:          /index.html
Document Length:        44 bytes

Concurrency Level:      100
Time taken for tests:   14.15712 seconds
Complete requests:      10000
Failed requests:        0
Write errors:           0
Total transferred:      3160316 bytes
HTML transferred:       440044 bytes
Requests per second:    713.48 [#/sec] (mean)
Time per request:       140.157 [ms] (mean)
Time per request:       1.402 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate:          220.18 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)
             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:        0    0   7.5      0     140
Processing:    26  137  67.8     91     342
Waiting:       25  137  67.8     90     340
Total:         49  138  68.1     91     347

Percentage of the requests served within a certain time (ms)
 50%     91
 66%    178
 75%    219
 80%    222
 90%    229
 95%    259
 98%    273
 99%    279
100%    347 (longest request)

然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(最小响应时间模式RT)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

Server Software:        Apache/2.2.13
Server Hostname:        192.168.1.54
Server Port:            8080

Document Path:          /index.html
Document Length:        44 bytes

Concurrency Level:      100
Time taken for tests:   14.260485 seconds
Complete requests:      10000
Failed requests:        0
Write errors:           0
Total transferred:      3160000 bytes
HTML transferred:       440000 bytes
Requests per second:    701.24 [#/sec] (mean)
Time per request:       142.605 [ms] (mean)
Time per request:       1.426 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate:          216.33 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)
             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:        0    0   7.7      0     148
Processing:    29  140  27.3    133     346
Waiting:       26  139  27.2    132     346
Total:         65  141  28.4    133     346

Percentage of the requests served within a certain time (ms)
 50%    133
 66%    136
 75%    138
 80%    140
 90%    181
 95%    190
 98%    241
 99%    287
100%    346 (longest request)

然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(随机模式RD)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，

Server Software:        Apache/2.2.13
Server Hostname:        192.168.1.54
Server Port:            8080

Document Path:          /index.html
Document Length:        44 bytes

Concurrency Level:      100
Time taken for tests:   14.114779 seconds
Complete requests:      10000
Failed requests:        0
Write errors:           0
Total transferred:      3160632 bytes
HTML transferred:       440088 bytes
Requests per second:    708.48 [#/sec] (mean)
Time per request:       141.148 [ms] (mean)
Time per request:       1.411 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate:          218.64 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)
             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:        0    0   7.3      0     139
Processing:    22  138  67.3     92     354
Waiting:       21  138  67.3     92     353
Total:         48  139  67.6     92     356

Percentage of the requests served within a certain time (ms)
 50%     92
 66%    184
 75%    212
 80%    221
 90%    239
 95%    255
 98%    279
 99%    292
100%    356 (longest request)

可以看出，转发的总耗时比直连多了10%左右，大体还是可以接受的，如果G5和WebServer分开部署在不同机器里，G5就能发挥出负载均衡的优势，性能也会大幅提升。
以后若有更好的环境，我将会做更全面更深入的压测。

7.待开发内容
* 转发时，如果接收速度比发送快，暂禁接收sock的EPOLLIN，启用发送sock的EPOLLOUT异步等待准备好再发送
* 最大连接数控制
* 连接超时控制

8.最后
作为一个通讯分发（负载均衡）网络工具，G5基本实现设计目标，并发布第一版出来分享给开源世界，欢迎试用。
G5源代码作为epoll(ET)+全异步综合使用示例也供大家学习参考，欢迎批评指正。
如有问题或建议请及时联系我，让我们共同把她搞大！
开源项目首页 : http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5