gRPC负载均衡（客户端负载均衡）

前言

上篇介绍了如何使用etcd实现服务发现，本篇将基于etcd的服务发现前提下，介绍如何实现gRPC客户端负载均衡。

gRPC负载均衡

gRPC官方文档提供了关于gRPC负载均衡方案Load Balancing in gRPC，此方案是为gRPC设计的，下面我们对此进行分析。

1、对每次调用进行负载均衡

gRPC中的负载平衡是以每次调用为基础，而不是以每个连接为基础。换句话说，即使所有的请求都来自一个客户端，我们仍希望它们在所有的服务器上实现负载平衡。

2、负载均衡的方法

• 集中式（Proxy Model）

在服务消费者和服务提供者之间有一个独立的负载均衡（LB），通常是专门的硬件设备如 F5，或者基于软件如 LVS，HAproxy等实现。LB上有所有服务的地址映射表，通常由运维配置注册，当服务消费方调用某个目标服务时，它向LB发起请求，由LB以某种策略，比如轮询（Round-Robin）做负载均衡后将请求转发到目标服务。LB一般具备健康检查能力，能自动摘除不健康的服务实例。

该方案主要问题：服务消费方、提供方之间增加了一级，有一定性能开销，请求量大时，效率较低。

可能有读者会认为集中式负载均衡存在这样的问题，一旦负载均衡服务挂掉，那整个系统将不能使用。
解决方案：可以对负载均衡服务进行DNS负载均衡，通过对一个域名设置多个IP地址，每次DNS解析时轮询返回负载均衡服务地址，从而实现简单的DNS负载均衡。

• 客户端负载（Balancing-aware Client）

针对第一个方案的不足，此方案将LB的功能集成到服务消费方进程里，也被称为软负载或者客户端负载方案。服务提供方启动时，首先将服务地址注册到服务注册表，同时定期报心跳到服务注册表以表明服务的存活状态，相当于健康检查，服务消费方要访问某个服务时，它通过内置的LB组件向服务注册表查询，同时缓存并定期刷新目标服务地址列表，然后以某种负载均衡策略选择一个目标服务地址，最后向目标服务发起请求。LB和服务发现能力被分散到每一个服务消费者的进程内部，同时服务消费方和服务提供方之间是直接调用，没有额外开销，性能比较好。

该方案主要问题：要用多种语言、多个版本的客户端编写和维护负载均衡策略，使客户端的代码大大复杂化。

• 独立LB服务（External Load Balancing Service）

该方案是针对第二种方案的不足而提出的一种折中方案，原理和第二种方案基本类似。

不同之处是将LB和服务发现功能从进程内移出来，变成主机上的一个独立进程。主机上的一个或者多个服务要访问目标服务时，他们都通过同一主机上的独立LB进程做服务发现和负载均衡。该方案也是一种分布式方案没有单点问题，服务调用方和LB之间是进程内调用性能好，同时该方案还简化了服务调用方，不需要为不同语言开发客户库。

本篇将介绍第二种负载均衡方法，客户端负载均衡。

实现gRPC客户端负载均衡

gRPC已提供了简单的负载均衡策略（如：Round Robin），我们只需实现它提供的Builder和Resolver接口，就能完成gRPC客户端负载均衡。

type Builder interface {
	Build(target Target, cc ClientConn, opts BuildOption) (Resolver, error)
	Scheme() string
}

Builder接口：创建一个resolver（本文称之服务发现），用于监视名称解析更新。
Build方法：为给定目标创建一个新的resolver，当调用grpc.Dial()时执行。
Scheme方法：返回此resolver支持的方案，Scheme定义可参考：https://github.com/grpc/grpc/blob/master/doc/naming.md

type Resolver interface {
	ResolveNow(ResolveNowOption)
	Close()
}

Resolver接口：监视指定目标的更新，包括地址更新和服务配置更新。
ResolveNow方法：被 gRPC 调用，以尝试再次解析目标名称。只用于提示，可忽略该方法。
Close方法：关闭resolver

根据以上两个接口，我们把服务发现的功能写在Build方法中，把获取到的负载均衡服务地址返回到客户端，并监视服务更新情况，以修改客户端连接。
修改服务发现代码，discovery.go

package etcdv3

import (
	"context"
	"log"
	"sync"
	"time"

	"github.com/coreos/etcd/mvcc/mvccpb"
	"go.etcd.io/etcd/clientv3"
	"google.golang.org/grpc/resolver"
)

const schema = "grpclb"

//ServiceDiscovery 服务发现
type ServiceDiscovery struct {
	cli        *clientv3.Client //etcd client
	cc         resolver.ClientConn
	serverList map[string]resolver.Address //服务列表
	lock       sync.Mutex
}

//NewServiceDiscovery  新建发现服务
func NewServiceDiscovery(endpoints []string) resolver.Builder {
	cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{
		Endpoints:   endpoints,
		DialTimeout: 5 * time.Second,
	})
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	return &ServiceDiscovery{
		cli: cli,
	}
}

//Build 为给定目标创建一个新的`resolver`，当调用`grpc.Dial()`时执行
func (s *ServiceDiscovery) Build(target resolver.Target, cc resolver.ClientConn, opts resolver.BuildOption) (resolver.Resolver, error) {
	log.Println("Build")
	s.cc = cc
	s.serverList = make(map[string]resolver.Address)
	prefix := "/" + target.Scheme + "/" + target.Endpoint + "/"
	//根据前缀获取现有的key
	resp, err := s.cli.Get(context.Background(), prefix, clientv3.WithPrefix())
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	for _, ev := range resp.Kvs {
		s.SetServiceList(string(ev.Key), string(ev.Value))
	}
	s.cc.NewAddress(s.getServices())
	//监视前缀，修改变更的server
	go s.watcher(prefix)
	return s, nil
}

// ResolveNow 监视目标更新
func (s *ServiceDiscovery) ResolveNow(rn resolver.ResolveNowOption) {
	log.Println("ResolveNow")
}

//Scheme return schema
func (s *ServiceDiscovery) Scheme() string {
	return schema
}

//Close 关闭
func (s *ServiceDiscovery) Close() {
	log.Println("Close")
	s.cli.Close()
}

//watcher 监听前缀
func (s *ServiceDiscovery) watcher(prefix string) {
	rch := s.cli.Watch(context.Background(), prefix, clientv3.WithPrefix())
	log.Printf("watching prefix:%s now...", prefix)
	for wresp := range rch {
		for _, ev := range wresp.Events {
			switch ev.Type {
			case mvccpb.PUT: //新增或修改
				s.SetServiceList(string(ev.Kv.Key), string(ev.Kv.Value))
			case mvccpb.DELETE: //删除
				s.DelServiceList(string(ev.Kv.Key))
			}
		}
	}
}

//SetServiceList 新增服务地址
func (s *ServiceDiscovery) SetServiceList(key, val string) {
	s.lock.Lock()
	defer s.lock.Unlock()
	s.serverList[key] = resolver.Address{Addr: val}
	s.cc.NewAddress(s.getServices())
	log.Println("put key :", key, "val:", val)
}

//DelServiceList 删除服务地址
func (s *ServiceDiscovery) DelServiceList(key string) {
	s.lock.Lock()
	defer s.lock.Unlock()
	delete(s.serverList, key)
	s.cc.NewAddress(s.getServices())
	log.Println("del key:", key)
}

//GetServices 获取服务地址
func (s *ServiceDiscovery) getServices() []resolver.Address {
	addrs := make([]resolver.Address, 0, len(s.serverList))

	for _, v := range s.serverList {
		addrs = append(addrs, v)
	}
	return addrs
}

代码主要修改以下地方：

1. 把获取的服务地址转成resolver.Address，供gRPC客户端连接。

2. 根据schema的定义规则，修改key格式。

服务注册主要修改key存储格式，register.go

package etcdv3

import (
	"context"
	"log"
	"time"

	"go.etcd.io/etcd/clientv3"
)

//ServiceRegister 创建租约注册服务
type ServiceRegister struct {
	cli     *clientv3.Client //etcd client
	leaseID clientv3.LeaseID //租约ID
	//租约keepalieve相应chan
	keepAliveChan <-chan *clientv3.LeaseKeepAliveResponse
	key           string //key
	val           string //value
}

//NewServiceRegister 新建注册服务
func NewServiceRegister(endpoints []string, serName, addr string, lease int64) (*ServiceRegister, error) {
	cli, err := clientv3.New(clientv3.Config{
		Endpoints:   endpoints,
		DialTimeout: 5 * time.Second,
	})
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	ser := &ServiceRegister{
		cli: cli,
		key: "/" + schema + "/" + serName + "/" + addr,
		val: addr,
	}

	//申请租约设置时间keepalive
	if err := ser.putKeyWithLease(lease); err != nil {
		return nil, err
	}

	return ser, nil
}

//设置租约
func (s *ServiceRegister) putKeyWithLease(lease int64) error {
	//设置租约时间
	resp, err := s.cli.Grant(context.Background(), lease)
	if err != nil {
		return err
	}
	//注册服务并绑定租约
	_, err = s.cli.Put(context.Background(), s.key, s.val, clientv3.WithLease(resp.ID))
	if err != nil {
		return err
	}
	//设置续租 定期发送需求请求
	leaseRespChan, err := s.cli.KeepAlive(context.Background(), resp.ID)

	if err != nil {
		return err
	}
	s.leaseID = resp.ID
	s.keepAliveChan = leaseRespChan
	log.Printf("Put key:%s  val:%s  success!", s.key, s.val)
	return nil
}

//ListenLeaseRespChan 监听 续租情况
func (s *ServiceRegister) ListenLeaseRespChan() {
	for leaseKeepResp := range s.keepAliveChan {
		log.Println("续约成功", leaseKeepResp)
	}
	log.Println("关闭续租")
}

// Close 注销服务
func (s *ServiceRegister) Close() error {
	//撤销租约
	if _, err := s.cli.Revoke(context.Background(), s.leaseID); err != nil {
		return err
	}
	log.Println("撤销租约")
	return s.cli.Close()
}

客户端修改gRPC连接服务的部分代码即可：

func main() {
	r := etcdv3.NewServiceDiscovery(EtcdEndpoints)
	resolver.Register(r)
	// 连接服务器
	conn, err := grpc.Dial(r.Scheme()+"://8.8.8.8/simple_grpc", grpc.WithBalancerName("round_robin"), grpc.WithInsecure())
	if err != nil {
		log.Fatalf("net.Connect err: %v", err)
	}
	defer conn.Close()

	// 建立gRPC连接
	grpcClient = pb.NewSimpleClient(conn)

gRPC内置了简单的负载均衡策略round_robin，根据负载均衡地址，以轮询的方式进行调用服务。

服务端启动时，把服务地址注册到etcd中即可：

func main() {
	// 监听本地端口
	listener, err := net.Listen(Network, Address)
	if err != nil {
		log.Fatalf("net.Listen err: %v", err)
	}
	log.Println(Address + " net.Listing...")
	// 新建gRPC服务器实例
	grpcServer := grpc.NewServer()
	// 在gRPC服务器注册我们的服务
	pb.RegisterSimpleServer(grpcServer, &SimpleService{})
	//把服务注册到etcd
	ser, err := etcdv3.NewServiceRegister(EtcdEndpoints, SerName, Address, 5)
	if err != nil {
		log.Fatalf("register service err: %v", err)
	}
	defer ser.Close()
	//用服务器 Serve() 方法以及我们的端口信息区实现阻塞等待，直到进程被杀死或者 Stop() 被调用
	err = grpcServer.Serve(listener)
	if err != nil {
		log.Fatalf("grpcServer.Serve err: %v", err)
	}
}

运行效果

我们先启动并注册三个服务

然后客户端进行调用

看服务端接收到的请求

关闭localhost:8000服务，剩余localhost:8001和localhost:8002服务接收请求

重新打开localhost:8000服务

可以看到，gRPC客户端负载均衡运行良好。

总结

本文介绍了gRPC客户端负载均衡的实现，它简单实现了gRPC负载均衡的功能。但在对接其他语言时候比较麻烦，需要每种语言都实现一套服务发现和负载策略。

目前官方只提供了取第一个地址pick_first和轮询round_robin两种负载均衡策略。下篇将介绍如何自定义负载均衡策略。

有兴趣了解第三种负载均衡方法External Load Balancing Service的，可以参考这个项目：https://github.com/bsm/grpclb

源码地址：https://github.com/Bingjian-Zhu/etcd-example

参考：

• https://segmentfault.com/a/1190000008672912

• https://github.com/wothing/wonaming