4.3.2 四层负载均衡高可用设计
作为大型分布式系统的入口，若四层负载均衡器是单节点部署，一旦发生故障，对于整个系统而言绝对是毁灭性的打击。接下来，我们将进入网络高可用性的主题，讨论利用多种路由冗余技术实现网络”容错“。
1. 主备方式
通常，同一网段内的所有主机都设置一条相同的、以网关为下一跳的缺省路由。但当这个网关出现故障时，整个网络就不可用了。增加出口网关是提高系统可用性的常见手段，此时如何在多个出口之间进行选路就成了需要解决的问题。VRRP（虚拟路由冗余协议）应运而生。
VRRP 解决的问题是，通过 VRRP 协议协商，虚拟出一个 IP 地址。这样的好处是，PC 只需要定义 VRRP 虚拟的 IP 地址作为网关，当主设备出现故障后，会自动切换到备用设备，整个过程对用户完全透明。图 4-11 展示了一个由两台服务器构建的主备集群。其中，Keepalived 是一款基于 VRRP 协议的高可用性软件，能够让多台服务器像路由器一样实现虚拟 IP 地址的冗余转移。
请看下面的处理过程：
- 定期通告：主服务器定期通过组播发送 VRRP 通告报文（VRRP Advertisements），向备份路由器报告其正常运行状态。此刻，主服务器接管虚拟 IP 地址并处理所有发往该地址的网络流量，备份服务器处于待命状态。
- 故障检测：如果主服务器意外宕机，备用服务器会检测到未收到通告报文，根据 VRRP 协议的选举机制选出新的主服务器。
- 广播 GARP 报文：新的主服务器向网络广播 GARP（Gratuitous ARP）报文。GARP 是一种特殊的 ARP 请求，用于通知网络中其他设备更新其 ARP 缓存，将自己的 IP-MAC 地址对告知它们。
- 更新 ARP 缓存：客户端设备（如其他服务器）和网络设备（如交换机和路由器）收到 GARP 报文后，会更新其 ARP 缓存表，将虚拟 IP 地址映射到新的虚拟 MAC 地址。
- 接管流量：备用服务器随后接管所有的虚拟 IP（VIP）流量，整个故障转移过程完成。
图 4-11 负载均衡主/备设计
主/备方案在现今的分布式系统非常常见，但这种方式存在明显的缺陷：
- 平稳状态下 50% 的资源是空闲的，备用服务器一直空转，资源无法充分利用。
- 其次，现代分布式系统追求更高的容错性。理想情况下，一个系统就算多个实例同时挂掉，预期仍能继续运行，而主/备实例同时挂掉时，服务就彻底挂了。
2.一致性哈希容错方式
接下来我们继续看基于集群的一致性哈希容错和可扩展设计方案，它的工作原理如图 4-12 所示。
图 4-12 负载均衡一致性哈希容错和可扩展设计方案
- 多个边缘路由器以相同的 BGP 权重通告所有 Anycast VIP，通过 ECMP（Equal-cost, Multi-path routing，等价多路由）保证每个 flow 的所有包都会到达同一个边缘路由器。
- 多个四层负载均起以相同的 BGP 权重向所有的边缘路由器通告所有的 VIP 继续使用 ECMP 的方式为相同 flow 的包选择相同的四层负载均衡器。
- 每个四层负载均衡器实例会做部分连接跟踪（conntrack）工作，然后使用一致性哈希为每个 flow 选择 一个后端。通过 GRE 封装将包从负载均衡器发送到后端。
- 然后使用三角传输模式将应答包从后端直接发送到边缘路由器，最后到客户端。
综合上述，看看一致性哈希容错模式是如何避免主备方式的缺陷：
- 边缘路由器和负载均衡器实例可以按需添加。因为每一层都用到了 ECMP，当新实例加入的时候，能最大程度地减少受影响的 flow 数量；
- 在预留足够的突发量和容错的前提下，系统的资源利用率想达到多高就可以到多高。
各类云厂商中的 SLB 以及绝大部分的现代四层负载均衡系统都在朝着这种设计演进。
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