分布式系统关注点——做了「负载均衡」就可以随便加机器了吗？
如果这是第二次看到我的文章，欢迎点击上方▲蓝字关注我哟~
本文长度为3056字，预计读完需1.1MB流量，建议阅读8分钟。
这篇是《分布式关注点系列》中负载均衡相关的内容最后一发了，后续也会继续讲高可用相关的其它主题，主要是限流、降级、熔断之类的吧，具体还没定。文末先附上之前发过的高可用相关文章，供你再温故一下。
下面这个场景不知是否在你面前出现过。
开发Z哥对运维Y弟喊：“Y弟，现在系统好卡，刚上了一波活动，赶紧帮我加几台机器上去顶一下。”
Y弟回复说：“没问题，分分钟搞定”。
然后就发现数据库的压力迅速上升，DBA就吼了：“Z哥，你丫的搞什么呢？数据库要被你弄垮了”。
然后客服那边接框也爆炸了，越来越多的用户说刚登陆后没多久，操作着就退出了，接着登陆，又退出了，到底还做不做生意了。
这些问题背后都是由于一个「Session丢失」问题导致的。
一、什么是Session丢失
相信Session对大部分Coder来说应该都知道。它是为了将同一个用户的多次访问在系统中被识别为“同一个用户”而产生的概念。除此之外，还可以基于它来减少重复往DB或者远程服务处获取与该用户相关的信息，以起到提升性能的作用。
在我们做了负载均衡的场景中，如果选择的负载策略是hash策略，那么会使得Session产生一个副作用，这个副作用就如上面举的案例那样，用户一旦由于某种原因从原先访问服务器A变成访问服务器B，就会出现“登陆状态丢失”、“缓存穿透”等问题。
为什么hash策略会出现这个问题呢？首先有必要先了解一下hash是如何进行的。hash策略就是下图这样的一个散列函数。在函数不变的情况下，A永远对应01，B对应04，C对应08。
▲图片来源于网络，版权归原作者所有
以nginx中的ip_hash策略来举个例子。因为我们认为正常情况下用户的ip不会在短时间内发生变化，所以当我们选择使用ip_hash策略进行负载均衡时，意味着期望同一个用户能够一直访问到同一台服务器上，就像下图这样。
▲图中的hash函数是最简单的随意举例
如此一来，我们只需要在这一台服务器上将这个用户相关的信息缓存在进程内，就能起到非常高性价比的提升性能的效果。
这时，客户端与服务端之间的相当于建立了一个信任，相互认识。这个信任就是「Session」。
但是，当我们加了一台服务器之后，事情就发生变化了。
▲图中的hash函数是最简单的随意举例
这个时候我们原先的预期就被破坏了。因为用户与序号0节点的链接变成了与序号3的链接，所以产生了前面提到的「Session丢失」问题。与此同时，在序号0节点上做的进程内缓存都无效了，而在序号3节点上又没有用户相关的任何缓存，导致大量数据需要从下游的DB或者远程服务处获取。你要知道，一旦涉及到网络通信，性能必然明显下降，I/O、序列化都是耗时的工作。更重要的是，一旦同时有大量用户产生这个情况，由于后端的DB和远程服务瞬时无法承载激增的高密度请求，可能会导致它挂起。这还没完，如果当前程序没有一些故障隔离或者降级策略，还会进一步产生蝴蝶效应，导致整个大系统响应缓慢。可谓“一颗老鼠屎坏了一锅粥”。
二、nginx是如何来解决这个问题的
既然以nginx举例，还是从nginx开始聊。通过在nginx中引入nginx-sticky-module模块可以来解决这个问题。解决的整个过程如下。
▲图片来源于网络，版本归原作者所有
可以看到，当client第一次进入到nginx匹配节点的时候，在给它分配一个节点的同时，会将这个节点的唯一标识进行md5后写入到cookie中一并返回，如果下次再发起请求的时候发现带有这个cookie值，就直接转发到该值所对应的节点上去。这个机制被专业的称之为「Session保持」。
虽然可以利用cookie来解决这个问题，但是cookie也有一个潜在的问题，如果客户端未开启cookie功能，这个机制就失效了。不过好在目前主流浏览器都是默认打开cookie的。
题外话：nginx是2004年发布的，在nginx-sticky-module出现之前的7年间也是nginx相比竞品HAProxy最大的一个短板，因为HAProxy支持Session保持。
三、Session保持的其它方案
除了cookie之外，还有2种方式也可以最终达到类似的效果。分别被称为「Session复制」、「Session共享」。
这是最简单粗暴的方式。根据第一节的案例来看，导致问题的原因是节点3没有用户的Session。那么很容易想到，在节点3运行之前把Session相关的Cache数据复制过去呗。并且在多个节点之间持续保证数据的同步，也就是说，每一台节点上都存在每个用户的Session数据。
实现的方案有很多，特别是不同的宿主程序都或多或少提供了一些切入点，甚至是拿来即用的方案，如Tomcat的Delta Manager和Backup Manager、Tomcat和IIS的Filter机制等等，这里就不展开了。
此类方案的特点是
优点：天然高可用，一部分节点宕机没事。因为每一个节点上存放着所有已连接用户的会话信息。
缺点：因为每台计算机的内存是有上限的，仅适用于会话相关的数据大小较小的场景。并且，由于多个节点之间需要同步数据，需要额外解决数据一致性问题。与此同时，随着节点越多，损耗越大（延迟、带宽等），有广播风暴风险。
我们还可以通过将session信息存放到全局共享的存储介质中来达到一样的效果，如数据库、远程缓存等，这是一种中心化思想的解决方案。
此类方案的特点是
优点：不管节点怎么增加和减少，100%不会产生会话丢失。
缺点：每次读写请求都需要增加额外共享储存调用，增加了网络I/O、序列化等操作，性能明显下降。另外，用作共享的存储介质除了增加了额外的维护成本外，还需要解决单点问题，以免产生系统性风险。
同之前「Session保持」方案一起对比下各自的优缺点和适用场景。
▲点击图片可查看大图
分别用一句话概括一下这3个方案：
Session 保持。原来在哪还是去哪。
Session 复制。不管在哪都有一样的数据。
Session 共享。所有节点共用一份数据。
越大型的系统，最终都会往「Session共享」这个方案上走，因为只要再对这个共享存储做横向扩展，理论上就可以支撑无穷大的用户了。如Redis、一系列的NOSQL以及NEWSQL等。就像下面这样，集「规模大」、「高可用」、「效果好」于一身。
▲点击图片可查看大图
四、结语
现在你应该清楚了Session丢失问题，也知道了如何去应对他。但是，我们还需要明白一个事实：严格来说「Session保持」本质上是破坏了做「负载均衡」的初衷。举个极端点的场景：一共有10个会话连在了节点A上，并且都是活动中状态。那么这个时候哪怕增加一个节点B上线，只要没有新的会话进来，节点B上的活动连接数永远是0，并没有起到分担压力的作用。
但是，在系统的起步时期，其实用这样简单的方案也是极好的。
Quesion：
你在工作中有遇到过哪些由于Session丢失产生的奇葩现象呢？欢迎分享给大家一起吐槽和讨论。
相关文章：
- 感谢阅读 -
如果觉得文章有帮助，
送我一个星标鼓励一下吧
操作步骤已经给你准备好了，看这里 ↓
▶ 关于作者：张帆（Zachary）。坚持用心打磨每一篇高质量原创。本文首发于公众号：「跨界架构师」（ID：Zachary_ZF）。
如果你有关于软件架构、分布式系统、产品、运营的困惑
可以试试点击「阅读原文」
也可以读读这些文章👇