工具系列 | 负载均衡算法 - 平滑加权轮询
简介
在 负载均衡算法 — 轮询 一文中，我们就指出了加权轮询算法一个明显的缺陷。即在某些特殊的权重下，加权轮询调度会生成不均匀的实例序列，这种不平滑的负载可能会使某些实例出现瞬时高负载的现象，导致系统存在宕机的风险。为了解决这个调度缺陷，就提出了 平滑加权轮询 调度算法。
待解决的问题
为了说明平滑加权轮询调度的平滑性，使用以下 3 个特殊的权重实例来演示调度过程。
服务实例 | 权重值 |
|---|---|
192.168.10.1 | 5 |
192.168.10.2 | 1 |
192.168.10.3 | 1 |
我们已经知道通过 加权轮询 算法调度后，会生成如下不均匀的调度序列。
请求 | 选中的实例 |
|---|---|
1 | 192.168.10.1 |
2 | 192.168.10.1 |
3 | 192.168.10.1 |
4 | 192.168.10.1 |
5 | 192.168.10.1 |
6 | 192.168.10.2 |
7 | 192.168.10.3 |
接下来，我们就使用平滑加权轮询算法调度上述实例，看看生成的实例序列如何？
算法描述
假设有 N 台实例 S = {S1, S2, …, Sn}，配置权重 W = {W1, W2, …, Wn}，有效权重 CW = {CW1, CW2, …, CWn}。每个实例 i 除了存在一个配置权重 Wi 外，还存在一个当前有效权重 CWi，且 CWi 初始化为 Wi；指示变量 currentPos 表示当前选择的实例 ID，初始化为 -1；所有实例的配置权重和为 weightSum；
那么，调度算法可以描述为： 1、初始每个实例 i 的 当前有效权重 CWi 为 配置权重 Wi，并求得配置权重和 weightSum； 2、选出 当前有效权重 最大 的实例，将 当前有效权重 CWi 减去所有实例的 权重和 weightSum，且变量 currentPos 指向此位置； 3、将每个实例 i 的 当前有效权重 CWi 都加上 配置权重 Wi； 4、此时变量 currentPos 指向的实例就是需调度的实例； 5、每次调度重复上述步骤 2、3、4；
上述 3 个服务，配置权重和 weightSum 为 7，其调度过程如下：
请求 | 选中前的当前权重 | currentPos | 选中的实例 | 选中后当前权重 |
|---|---|---|---|---|
1 | {5, 1, 1} | 0 | 192.168.10.1 | {-2, 1, 1} |
2 | {3, 2, 2} | 0 | 192.168.10.1 | {-4, 2, 2} |
3 | {1, 3, 3} | 1 | 192.168.10.2 | {1, -4, 3} |
4 | {6, -3, 4} | 0 | 192.168.10.1 | {-1, -3, 4} |
5 | {4, -2, 5} | 2 | 192.168.10.3 | {4, -2, -2} |
6 | {9, -1, -1} | 0 | 192.168.10.1 | {2, -1, -1} |
7 | {7, 0, 0} | 0 | 192.168.10.1 | {0, 0, 0} |
8 | {5, 1, 1} | 0 | 192.168.10.1 | {-2, 1, 1} |
可以看出上述调度序列分散是非常均匀的，且第 8 次调度时当前有效权重值又回到 {0, 0, 0}，实例的状态同初始状态一致，所以后续可以一直重复调度操作。
此轮询调度算法思路首先被 Nginx 开发者提出，见 phusion/nginx 部分。
代码实现
class SmoothWeightedRobin implements RobinInterface
{
private $services = array();
private $total;
private $currentPos = -1;
public function init(array $services)
{
foreach ($services as $ip => $weight) {
$this->services[] = [
'ip' => $ip,
'weight' => $weight,
'current_weight' => $weight,
];
}
$this->total = count($this->services);
}
public function next()
{
// 获取最大当前有效权重实例的位置
$this->currentPos = $this->getMaxCurrentWeightPos();
// 当前权重减去权重和
$currentWeight = $this->getCurrentWeight($this->currentPos) - $this->getSumWeight();
$this->setCurrentWeight($this->currentPos, $currentWeight);
// 每个实例的当前有效权重加上配置权重
$this->recoverCurrentWeight();
return $this->services[$this->currentPos]['ip'];
}
}其中，getSumWeight()为所有实例的配置权重和；getCurrentWeight()和 setCurrentWeight()分别用于获取和设置指定实例的当前有效权重；getMaxCurrentWeightPos()求得最大当前有效权重的实例位置，实现如下：
public function getMaxCurrentWeightPos()
{
$currentWeight = $pos = 0;
foreach ($this->services as $index => $service) {
if ($service['current_weight'] > $currentWeight) {
$currentWeight = $service['current_weight'];
$pos = $index;
}
}
return $pos;
}recoverCurrentWeight()用于调整每个实例的当前有效权重，即加上配置权重，实现如下：
public function recoverCurrentWeight()
{
foreach ($this->services as $index => &$service) {
$service['current_weight'] += $service['weight'];
}
}需要注意的是，在配置services服务列表时，同样需要指定其权重：
$services = [
'192.168.10.1' => 5,
'192.168.10.2' => 1,
'192.168.10.3' => 1,
];证明权重合理性
证明平滑性
证明平滑性，只要证明不要一直都是连续选择那一个节点即可。
总结
尽管，平滑加权轮询算法改善了加权轮询算法调度的缺陷，即调度序列分散的不均匀，避免了实例负载突然加重的可能，但是仍然不能动态感知每个实例的负载。
若由于实例权重配置不合理，或者一些其他原因加重系统负载的情况，平滑加权轮询都无法实现每个实例的负载均衡，这时就需要 有状态 的调度算法来完成。
源码地址https://github.com/Tinywan/load-balancing