一、前言

在單一的伺服器上執行WEB應用程式有一些重大的問題，當網站成功建成並開始接受大量請求時，單一伺服器終究無法滿足需要處理的負荷量，所以就有點顯得有點力不從心了。另外一個常見的問題是會產生單點故障，如果該伺服器壞掉，那麼網站就立刻無法運作了。不論是因為要有較佳的擴充性還是容錯能力，我們都會想在一臺以上的伺服器計算機上執行WEB應用程式。所以，這時候我們就需要用到叢集這一門技術了。

在進入集群系統架構探討之前，先定義一些專門術語：

1. 叢集(Cluster)：是一組獨立的計算機系統構成一個鬆耦合的多處理器系統，它們之間通過網路實現程序間的通訊。應用程式可以通過網路共享記憶體進行訊息傳送，實現分散式計算機。

2. 負載均衡(Load Balance)：先得從叢集講起，叢集就是一組連在一起的計算機，從外部看它是一個系統，各節點可以是不同的作業系統或不同硬體構成的計算機。如一個提供Web服務的叢集，對外界來看是一個大Web伺服器。不過叢集的節點也可以單獨提供服務。

3. 特點：在現有網路結構之上，負載均衡提供了一種廉價有效的方法擴充套件伺服器頻寬和增加吞吐量，加強網路資料處理能力，提高網路的靈活性和可用性。集群系統(Cluster)主要解決下面幾個問題： 
高可靠性（HA）：利用叢集管理軟體，當主伺服器故障時，備份伺服器能夠自動接管主伺服器的工作，並及時切換過去，以實現對使用者的不間斷服務。 
高效能運算（HP）：即充分利用叢集中的每一臺計算機的資源，實現複雜運算的並行處理，通常用於科學計算領域，比如基因分析，化學分析等。 
負載平衡：即把負載壓力根據某種演算法合理分配到叢集中的每一臺計算機上，以減輕主伺服器的壓力，降低對主伺服器的硬體和軟體要求。

總體來說，在負載均衡的思路下，多臺伺服器為對等方式，每臺伺服器都具有同等的地位，可以單獨對外提供服務而無須其他伺服器的輔助。通過負載分擔技術，將外部發送來的請求按一定規則分配到對稱結構中的某一臺伺服器上，而接收到請求的伺服器都獨立迴應客戶機的請求。

提供服務的一組伺服器組成了一個應用伺服器叢集(cluster)，叢集下的對等多機環境可以增加系統的併發處理能力，和單臺機器出現故障系統的錯誤冗餘能力；同時實現了負載均衡和系統高可靠性。

二、常用負載均衡技術

1. 基於DNS的負載均衡

通過DNS服務中的隨機名字解析來實現負載均衡，在DNS伺服器中，可以為多個不同的地址配置同一個名字，而最終查詢這個名字的客戶機將在解析這個名字時得到其中一個地址。因此，對於同一個名字，不同的客戶機會得到不同的地址，他們也就訪問不同地址上的Web伺服器，從而達到負載均衡的目的。

2. 反向代理負載均衡 （如Apache+JK2+Tomcat這種組合）

使用代理伺服器可以將請求轉發給內部的Web伺服器，讓代理伺服器將請求均勻地轉發給多臺內部Web伺服器之一上，從而達到負載均衡的目的。這種代理方式與普通的代理方式有所不同，標準代理方式是客戶使用代理訪問多個外部Web伺服器，而這種代理方式是多個客戶使用它訪問內部Web伺服器，因此也被稱為反向代理模式。

3. 基於NAT（Network Address Translation）的負載均衡技術 （如Linux Virtual Server，簡稱LVS）

網路地址轉換為在內部地址和外部地址之間進行轉換，以便具備內部地址的計算機能訪問外部網路，而當外部網路中的計算機訪問地址轉換閘道器擁有的某一外部地址時，地址轉換閘道器能將其轉發到一個對映的內部地址上。因此如果地址轉換閘道器能將每個連線均勻轉換為不同的內部伺服器地址，此後外部網路中的計算機就各自與自己轉換得到的地址上伺服器進行通訊，從而達到負載分擔的目的。

三、Apache+JK2實現Tomcat叢集與負載均衡

客戶系統一般採用Apache httpd作為web伺服器，即作為Tomcat的前端處理器，根據具體情況而定，有些情況下是不需要Apache httpd作為 web 伺服器的，如系統展現沒有靜態頁面那就不需要Apache httpd，那時可以直接使用Tomcat作為web 伺服器來使用。使用Apache httpd主要是它在處理靜態頁面方面的能力比Tomcat強多了。

1. 叢集實現原理

如上圖所示，主要通過 Apache-Server 作為中轉伺服器，實現多個 tomcat 伺服器之間的分散式處理，使用者直接請求 Apache-Server ，然後 Apache-Server 會將請求分發到具體的 tomcat-server ，之後 tomcat-server 響應客戶請求並返回結果到 Apache-Server ，最後 Apache-Server 返回結果給使用者。

2. 配置負載均衡器

檔案說明：

(a) mod_jk.conf，主要定義 mod_jk 模組的位置以及 mod_jk 模組的連線日誌設定，還有定義 worker.properties 檔案的位置。

(b) worker.properties，定義 worker 的引數，主要是連線 tomcat 主機的地址和埠資訊。如果 Tomcat 與 apache 不在同一臺機器上，或者需要做多臺機器上 tomcat 的負載均衡只需要更改 workers.properties 檔案中的相應定義即可。％ APACHE_HOME ％為你的安裝目錄。

環境說明： 主要使用了一個 Apache Server 和兩個 Tomcat ，在同一臺電腦上進行測試。

(a)準備軟體

說明： apache-server 安裝完成後，可以在瀏覽器中輸入 http://localhost/ 來測試，如果出現 ” It works!”則表示安裝成功。

(b)安裝 mod_jk 連線模組

安裝好 Jdk 、 tomcat 、 apache 後 , 加入 mod_jk 連線模組，就是把 mod_jk- 1.2.31 -httpd-2.2.3.so 檔案拷貝到％ APACHE_HOME ％ \modules 下，把 jk 模組的配置放到單獨的檔案中來，在％ APACHE_HOME ％ \conf 目錄新建 mod_jk.conf 、 workers.properties 檔案。

在 httpd.conf 最後加上：

# JK module settings

Include conf/mod_jk.conf

說明：以上表示將 mod_jk.conf 配置檔案包含進來

(c)修改 mod_jk.conf 檔案

為了保持 httpd.conf 檔案的簡潔，把 jk 模組的配置放到單獨的檔案中來。在 mod_jk.conf 檔案中新增以下內容：

# Load mod_jk2 module

LoadModule jk_module modules/mod_jk-1.2.31-httpd-2.2.3.so

# Where to find workers.properties( 引用 workers 配置檔案 )

JkWorkersFile conf/workers.properties

# Where to put jk logs(log 檔案路徑 )

JkLogFile logs/mod_jk2.log

# Set the jk log level [debug/error/info](log 級別 )

JkLogLevel info

# Select the log format(log 格式 )

JkLogStampFormat "[%a %b %d %H:%M:%S %Y] "

# JkOptions indicate to send SSL KEY SIZE,

JkOptions +ForwardKeySize +ForwardURICompat -ForwardDirectories

# JkRequestLogFormat set the request format

JkRequestLogFormat "%w %V %T"

# Send JSPs for context / to worker named loadBalancer(URL 轉發配置，匹配的 URL 才轉發到 tomcat 進行處理 )

JkMount /*.jsp controller

# JkMount /*.* loadBalancer

(d)修改 workers.properties 檔案

在 workers.properties 檔案中新增以下內容：

#server 列表

worker.list = controller,tomcat1,tomcat2

# tomcat1(ajp13 埠號，在tomcat下server.xml配置,預設8009)

worker.tomcat1.port=8009

#tomcat 的主機地址，如不為本機，請填寫ip地址

worker.tomcat1.host=localhost

worker.tomcat1.type=ajp13

#server 的加權比重，值越高，分得的請求越多

worker.tomcat1.lbfactor = 1

# tomcat2

worker.tomcat2.port=9009

worker.tomcat2.host=localhost

worker.tomcat2.type=ajp13

worker.tomcat2.lbfactor = 1

# controller( 負載均衡控制器)

worker.controller.type=lb

# 指定分擔請求的tomcat

worker.controller.balanced_workers=tomcat1,tomcat2

#worker.controller.sticky_session=true

說明：此檔案配置了 2 個 tomcat 伺服器進行負載均衡處理

(e)修改 tomcat 配置檔案 server.xml

更改其中一個的設定開啟 tomcat2/conf/server.xml 檔案，修改裡面所有的埠設定，將 8 改為 9 ，如下：  
 

(f)編寫一個測試頁面 teat1.jsp

建立一個 test 的 web 應用，裡面新建一個 test1.jsp, 內容為：

(g) 啟動伺服器並進行測試

依次啟動 apache-server 、 tomcat1 、 tomcat2 ，通過 http://localhost/test/test1.jsp 訪問，檢視 tomcat1 的視窗，可以看到列印了一行 "==========" ，再重新整理一次， tomcat2 也列印了一條，再重新整理，可以看到請求會被 tomcat1,tomcat2 輪流處理 , 實現了負載均衡

3. 叢集 (session複製 )

只配置負載均衡還不行，還要 session 複製，也就是說其中任何一個 tomcat 的新增的 session ，是要同步複製到其它 tomcat ， 叢集內的 tomcat 都有相同的 session：

修改 tomcat1, tomcat2 的 server.xml 檔案新增叢集內容， tomcat5.5 無需新增，只需要去掉註釋符， tomcat6.0 需要新增，內容如下：

<Cluster className="org.apache.catalina.cluster.tcp.SimpleTcpCluster"

managerClassName="org.apache.catalina.cluster.session.DeltaManager"

expireSessionsOnShutdown="false"

useDirtyFlag="true"

notifyListenersOnReplication="true">

<Membership

className="org.apache.catalina.cluster.mcast.McastService"

mcastAddr="228.0.0.4"

mcastPort="45564"

mcastFrequency="500"

mcastDropTime="3000"/>

<Receiver

className="org.apache.catalina.cluster.tcp.ReplicationListener"

tcpListenAddress="auto"

tcpListenPort="4001"

tcpSelectorTimeout="100"

tcpThreadCount="6"/>

<Sender

className="org.apache.catalina.cluster.tcp.ReplicationTransmitter"

replicationMode="pooled"

ackTimeout="15000"

waitForAck="true"/>

<Valve className="org.apache.catalina.cluster.tcp.ReplicationValve"

filter=".*\.gif;.*\.js;.*\.jpg;.*\.png;.*\.htm;.*\.html;.*\.css;.*\.txt;"/>

<Deployer className="org.apache.catalina.cluster.deploy.FarmWarDeployer"

tempDir="/tmp/war-temp/"

deployDir="/tmp/war-deploy/"

watchDir="/tmp/war-listen/"

watchEnabled="false"/>

<ClusterListener className="org.apache.catalina.cluster.session.ClusterSessionListener"/>

</Cluster>

分別新增以上內容後，在 tomcat2 中，修改 tcpListenPort="4001" 為 4002。

Engine 增加 jvmRoute 屬性設定， jvmRoute 的值來自於 workers.properties 檔案所設定的伺服器名稱。

<Engine name="Catalina" defaultHost="localhost" jvmRoute="tomcat1" >

#server 列表

worker.list = controller,tomcat1,tomcat2

(b) 新增 test.jsp 頁面

修改 web.xml 檔案，加入 <distributable/>節點，如下所示：

測試步驟如下：

1) 啟動 apache-server 、 tomcat1 、 tomcat2

2) 訪問 http://localhost/test/test.jsp ，輸入名稱： test0001 、值： 123 並點選“提交查詢內容”按鈕，顯示效果如下：

如上圖所示， tomcat1 建立了一個新的 session ， session 中有屬性 test0001, 值為 123 

3) 關閉 tomcat1 伺服器， tomcat1 埠為 8080 ，如下圖： 

4) 在頁面中再次點選“提交查詢內容”按鈕，效果如下： 
 
前端頁面並沒有發生改變，接下來檢視後臺情況： 
 
如圖所示，可以發現 session 已成功複製到 tomcat2 中，以此證明 tomcat 叢集已配置成功。

5) 另外來看看不關閉 tomcat1 伺服器再次提交的情況 
 
如圖所示，請求並沒有轉發到 tomcat2 伺服器，而是再次轉回 tomcat1 伺服器，這種情況是由於配置了 jvmRoute 所致，以個人理解，配置了此屬性後， apache-server 會根據 session 情況來進行路由，同一個 session 會轉發給同一個伺服器。

 
 
新視窗的請求轉發到了 tomcat2 伺服器， session 的 id 為 DD9E6C8181653B9BCCF534FC8760B264.tomcat2 ，根據測試結果可以說明，在不發生伺服器關閉的情況下，每個 session 會繫結到同一個伺服器中，而不會在伺服器間發生複製。

四、總結

介紹完上面的叢集技術之後，下面就基於Tomcat的叢集架構方案進行說明：

1. 使用者的網頁瀏覽器做完本地 DNS和企業授權的DNS之的請求/響應後，這時候企業授權的DNS（即21cn BOSS DNS）會給使用者本地的DNS伺服器提供一個NAT請求分配器（即閘道器）IP。 
2. NAT分配器，它會根據特定的分配演算法，來決定要將連線交給哪一臺內部 Apache httpd來處理請求。大多數的NAT請求分配器提供了容錯能力：根據偵測各種WEB伺服器的失效狀況，停止將請求分配給已經宕掉的伺服器。並且有些分配器還可以監測到WEB伺服器機器的負載情況，並將請求分配給負載最輕的伺服器等等。Linux Virtual Server是一個基於Linux作業系統上執行的VS-NAT開源軟體套件，而且它有豐富的功能和良好的說明檔案。商業硬體解決方案 Foundry Networks的ServerIron是目前業界公認最佳的請求分配器之一。 
3. Apache httpd + Mod_JK2在這裡是作為負載均衡器，那為什麼要做叢集呢？如果集群系統要具備容錯能力，以便在任何單一的硬體或軟體元件失效時還能100%可用，那麼集群系統必須沒有單點故障之憂。所以，不能只架設一臺有mod_jk2的Apache httpd，因為如果 httpd或mod_jk2失效了，將不會再有請求被會送交到任何一個Tomcat 例項。這種情況下，Apache httpd就是瓶勁，特別在訪問量大的網站。 
4. Mod_JK2負載均衡與故障復原，決定把Apache httpd當成web伺服器，而且使用mod_jk2將請求傳送給Tomcat，則可以使用mod_jk2的負載均衡與容錯功能。在集群系統中，帶有mod_jk2的Apache httpd可以做的事情包括：

A 將請求分配至一或多個Tomcat例項上你可以在mod_jk2的workers.properties檔案中，設定許多Tomcat例項，並賦於每個例項一個lb_factor值，以作為請求分配的加權因子。 
B. 偵測Tomcat例項是否失敗當Tomcat例項的聯結器服務不再響應時，mod_jk2會及時偵測到，並停止將請求送給它。其他的Tomcat例項則會接受失效例項的負載。 
C. 偵測Tomcat例項在失效後的何時恢復因聯結器服務失效，而停止將請求分配給Tomcat例項之後，mod_jk2會週期性地檢查是否已恢復使用性，並自動將其加入現行的Tomcat例項池中。

5. Tomcat中的叢集原理是通過組播的方式進行節點的查詢並使用TCP連線進行會話的複製。這裡提示一下就是，對每個請求的處理，Tomcat都會進行會話複製，複製後的會話將會慢慢變得龐大。 
6. Mod_jk2同時支援會話親和和會話複製。在tomcat 5中如何實現會話親和和會話複製？把server.xml中的標籤去掉就實現會話親和，把標籤加上就實現會話複製。 
7. 會話親和：就是表示來自同會話的所有請求都由相同的Tomcat 例項來處理，這種情況下，如果Tomcat例項或所執行的伺服器機器失效，也會喪失Servlet的會話資料。即使在集群系統中執行更多的Tomcat例項，也永遠不會複製會話資料。這樣是提高叢集效能的一種方案，但不具備有容錯能力了。 
8. 使用會話複製，則當一個Tomcat例項宕掉時，由於至少還有另一個Tomcat例項保有一份會話狀態資料，因而資料不會喪失。但效能會有所降低。

其實無論是分散式，資料快取，還是負載均衡，無非就是改善網站的效能瓶頸，在網站原始碼不做優化的情況下，負載均衡可以說是最直接的手段了。其實拋開這個名詞，放開了說，就是希望使用者能夠分流，也就是說把所有使用者的訪問壓力分散到多臺伺服器上，也可以分散到多個tomcat裡，如果一臺伺服器裝多個tomcat，那麼即使是負載均衡，效能也提高不了太多，不過可以提高穩定性，即容錯性。當其中一個主tomcat當掉，其他的tomcat也可以補上，因為tomcat之間實現了Session共享。待tomcat伺服器修復後再次啟動，就會自動拷貝所有session資料，然後加入叢集。這樣就可以不間斷的提供服務。如果要真正從本質上提升效能，必須要分佈到多臺伺服器。

其實多臺伺服器各配置一個tomcat也可以實現負載均衡，而且那樣的話，可以使用安裝版的tomcat，而不用是下文中的免安裝的tomcat，而且tomcat埠配置也就不用修改了。

本文轉自：http://my.oschina.net/xianggao/blog/87469