通讯转发、(负载均衡)通讯分发器 - G5
1.概述
G5是一款高性能高并发负载、易配置使用、支持远程管理的轻量级TCP/IP的通讯转发、(负载均衡)通讯分发器软件。基于epoll(ET)事件驱动非堵塞全异步无锁框架实现（在非Linux操作系统上退化为select实现），能运行在Linux、UNIX和WINDOWS等多种主流操作系统上。
G5支持所有TCP应用层协议，这意味着不仅可以用于网站HTTP服务，还能用在SMTP、POP、FTP上等，甚至非常见TCP应用协议。
G5支持几乎所有主流负载均衡算法，如轮询、最少连接数、最小响应时间等。
使用场景如下：
* 简单的TCP通讯转发
* 与无负载均衡功能的通讯软件配合实现负载均衡分发，避免改造通讯软件带来的工作量和风险
* 网站反向代理通讯网关
2.开发背景
今天和系统运维的老大聊天，谈到一直在用的F5，行里对其评价为价格过高、功能复杂难懂，没有发挥相应的价值。因为以前我曾经给行里开发过一个通讯中间件，附带软实现了负载均衡，几年使用下来一直效果不错，突然想自己再软实现一个纯负载均衡通讯分发器，并开源分享给大家。
说干就干，回到家，搜了一下网上同类软件，整理技术需求，
软件定义如下：
基于规则的通讯转发、分发。客户端连入时，根据来源网络地址和本地侦听端口查询转发规则，参照负载均衡算法分发到目标网络地址集合中的其中一个。
实现目标如下：
* 支持长/短TCP，后续还会支持UDP
* 与应用层协议无关，即支持HTTP,FTP,SMTP,POP,TELNET,SSH等等所有应用层协议
* 稳定高效，Linux下首选epoll(ET模式)，全异步设计；WINDOWS和类UNIX用select实现
* 转发分发规则配置文件；也支持远程在线管理规则，以及查询状态
* 支持多种主流负载均衡算法
* 源码和可执行程序体型轻巧，概念简单，使用快捷
支持负载均衡算法有：
* 主备模式，即一直连接第一个目标地址，如果第一个目标地址故障了，切换到下一个目标地址
* 轮询模式，把所有目标地址按次序依次循环使用
* 最少连接数模式，在目标地址集合中挑选当前最少连接的目标
* 最小响应时间模式，在目标地址集合中挑选历史数据交换最快的目标
* 随机模式，随机选择目标地址
* HASH模式，根据来源地址计算HASH得到一个唯一固定的目标地址
完整实现基于epoll(ET)的非堵塞全异步应用层框架，主要包含以下内容：
* 基于epoll(ET)事件处理应用层框架。
* accept客户端连接后转连服务端connect的非堵塞异步实现。
* recv客户端数据后转发send服务端时，当转发速度小于接收速度情况下的非堵塞异步实现。
* 客户端和服务端的请求和响应在转发端的并发隔离。
研发之前，取个好听的名字，相对于硬实现F5，就取名为软实现G5吧 ^_^
经过5个晚上的奋笔疾书，捣鼓出第一版，源代码只有一个.c(2400行)和一个.h文件(260行)，编译链接出可执行程序约70KB大小。
3.安装部署
从http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5下载源码安装包，在你的临时目录解开
$ tar xvzf G5-x.x.x.tar.gz
$ cd G5-x.x.x/src
$ make -f makefile.Linux clean
$ make -f makefile.Linux install
因为只有一对源文件，所以编译链接很快，也便于编译器优化，更便于你自己手工编译。
如果不报错的话，可执行程序G5就安装到/usr/bin/下了。
4.基本使用
4.1.命令行参数
不带参数执行G5会显示版本、命令行参数说明等信息
$ G5
G5 - tcp LB dispatch
v1.0.0 build Apr 6 2014 15:00:31 WITH 100:1024:4096,10:3:100,64
Copyright by calvin 2014
Email : calvinwilliams.c@gmail.com
USAGE : G5 -f config_pathfilename [ -r forward_rule_maxcount ] [ -s forward_session_maxcount ] [ -b transfer_bufsize ] [ -d ]
4.2.启动
因为是工具型软件，所以用户界面设计的比较简单，自行编写一个分发规则配置文件
$ cat demo.conf
admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
webdog MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
作为G5唯一一个必须的命令行参数-f启动
$ G5 -f demo.conf
G5 - tcp LB dispatch
v1.1.0 build Apr 12 2014 03:57:33 WITH 100:1024:4096,10:3:100,64
Copyright by calvin 2014
Email : calvinwilliams.c@gmail.com
forward_rule_maxcount [100]
forward_session_maxcount [1024]
transfer_bufsize [4096]bytes
epoll_create ok #3#
2014-04-12 03:59:05 | admin G 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060(LISTEN)#5# ;
2014-04-12 03:59:05 | webdog MS 192.168.1.54:* 192.168.1.79:* - 192.168.1.54:8070(LISTEN)#7# > 192.168.1.79:8088 ;
2014-04-12 03:59:05 | webdog2 RR *.*.*.*:* - 192.168.1.54:8080(LISTEN)#8# > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
...
之后产生的所有普通信息、错误都输出到标准输出、错误输出上，如果启动参数加上-d，则还会输出所有调试信息，如连接、断开、数据分发
我模拟发起一个HTTP请求
$ lynx http://192.168.1.54:8080/index.php
G5的标准输出上产生如下信息
2014-04-12 03:60:05 | forward2 [192.168.1.54:43477]#3# - [192.168.1.54:8080]#7# > [192.168.1.79:8089]#8#
2014-04-12 03:60:05 | transfer #3# [324]bytes to #8#
2014-04-12 03:60:05 | transfer #8# [257]bytes to #3#
2014-04-12 03:60:05 | close #8# recv 0
说明一下
192.168.1.54:43477(lynx)连接192.168.1.54:8080(G5)被转发到网站服务器192.168.1.79:8089(apache)
lynx发送了HTTP请求324字节给网站服务器
lynx从网站服务器接收了HTTP响应257字节
服务端首先断开连接
一般都使用nohup使其变为守护进程，输出导向到文件
$ nohup G5 demo.conf >demo.log 2>&1 &
4.3.停止
别客气，直接kill (pid)即可。
4.4.作为WINDOWS服务运行
安装作为WINDOWS服务
$ G5 ... --install-service
卸载WINDOWS服务
$ G5 ... --uninstall-service
5.配置文件
配置文件里一行为一条转发规则，每条规则由三大段组成：规则名称、规则类型和规则实体，之间用白字符（空格、TAB）隔开。
5.1.规则名称
唯一标识该规则，便于新增、修改和删除规则。
5.2.规则类型
说明该规则是在线管理(G)，还是以某种通讯分发算法。目前实现的算法列表如下
MS : 主备模式
RR : 轮询模式
LC : 最少连接数模式
RT : 最小响应时间模式
RD : 随机模式
HS : HASH模式
5.3.规则实体
格式为"来源地址集合 - 本地转发地址集合 > 目标地址集合 ;"，其中三个地址集合内可以包含一个地址或白字符隔开的地址列表。单个地址由"IP:PORT"组成。来源单个地址中的IP和PORT可以使用'*'和'?'通配。当只有一个目标地址时，通讯分发算法就没有意义了。
5.4.属性
规则类型可选追加属性集合格式为"( 属性1名称 属性1值 属性2名称 属性2值 ... )"，之间用白字符（空格、TAB）隔开。目前可用的属性有
timeout 秒数
maxclient 最大客户端会话数量（全局）
规则实体内来源地址集合可选追加属性集合同规则类型属性集合。目前可用的属性有
maxclient 最大客户端会话数量（单个规则实体内来源地址集合）
5.5.示例
回来解释一下前面展示的配置文件
$ cat demo.conf
# 只允许本机192.168.1.54连接到G5在线管理规则，管理连接空闲超时为5分钟，超时时强制断开
admin G ( timeout 300 ) 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8060 ;
# 本地所有TCP连接到本机8070端口时统统转发到192.168.1.79:8088
# 用于跨网段的通讯转发，空闲超时为2分钟，超时时强制断开，最大客户端会话数量为5个，多余连接将被强制断开
webdog MS ( timeout 120 ) 192.168.1.54:* 192.168.1.79:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
# 允许所有主机连接192.168.1.79:8089，并以轮询算法分发给三个服务器192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091
# 用于网站前端负载均衡通讯节点
webdog2 RR *.*.*.*:* ( maxclients 5 ) - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
还简单吧
6.在线管理
G5在启动时必须指定一个配置文件装载所有规则并以之工作，也支持远程连接上管理端口在线管理规则，用telnet即可
$ telnet 192.168.1.54 8060
Trying 192.168.1.54...
Connected to rhel54 (192.168.1.54).
Escape character is '^]'.
>
'>'为输入提示符，后面可以键入的命令有
ver : 显示G5版本及编译日期时间
quit : 断开管理连接
list rules : 显示当前所有转发规则
add rule (...规则...) : 新增转发规则
modify rule (...规则...) : 修改转发规则
remove rule (规则名称) : 删除转发规则
dump rule : 保存所有转发规则到启动时指定的配置文件中
list forwards : 显示当前所有转发连接信息
使用示例
$ telnet 192.168.1.54 8060
Trying 192.168.1.54...
Connected to rhel54 (192.168.1.54).
Escape character is '^]'.
> ver
version v1.0.0 build Apr 3 2014 08:05:54
> list rules
1 : admin G ( timeout 300 ) 192.168.1.54:* ( conntions[1/2] ) - 192.168.1.54:8060 ;
2 : webdog MS ( timeout 120 ) 192.168.1.54:* 192.168.1.79:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
3 : webdog2 RR *.*.*.*:* ( conntions[0/100] ) - 192.168.1.54:8080 > 192.168.1.79:8089 192.168.1.79:8090 192.168.1.79:8091 ;
> add rule webdog3 MS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
add forward rule ok
> modify rule webdog3 HS 192.168.1.54:* - 192.168.1.54:8070 > 192.168.1.79:8088 ;
modify forward rule ok
> remove rule webdog3
remove forward rule ok
> dump rules
dump all forward rules ok
> list forwards
1 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#5#
2 : LISTEN [192.168.1.54:8060]#6#
3 : LISTEN [192.168.1.54:8070]#7#
4 : LISTEN [192.168.1.54:8080]#8#
5 : CLIENT [192.168.1.54:54162]#4# - MANAGE [192.168.1.54:8060]#5#
2138 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
2139 : CLIENT [192.168.1.54:39869]#11# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#12# connected
2140 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
2141 : CLIENT [192.168.1.54:39871]#27# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#28# connected
2142 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
2143 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
2144 : CLIENT [192.168.1.54:39875]#25# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#26# connected
2145 : CLIENT [192.168.1.54:39873]#17# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#18# connected
2146 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
2147 : CLIENT [192.168.1.54:39877]#21# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#22# connected
2148 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
2149 : CLIENT [192.168.1.54:39879]#9# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#10# connected
2150 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
2151 : CLIENT [192.168.1.54:39881]#15# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#16# connected
2152 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
2153 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
2154 : CLIENT [192.168.1.54:39884]#23# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8089]#24# connected
2155 : CLIENT [192.168.1.54:39883]#19# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8091]#20# connected
2156 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# < LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# - SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
2157 : CLIENT [192.168.1.54:39887]#13# - LISTEN [192.168.1.54:8080]#8# > SERVER [192.168.1.79:8090]#14# connected
> quit
Connection closed by foreign host.
$
注意：慎用dump rules
7.性能测试
因为是简单的通讯转发、分发器，内部使用epoll(ET)+全异步实现，达到高并发和充分负载均衡，几乎可以榨干单核硬件资源。
由于我没有完整靠谱的压测环境，只能在我的老爷机上做直连和通过G5转连的性能比较差异。
压测硬件（2007年买的老爷机）
CPU : Intel Dual E2160 1.8GHz 1.81GHz
内存 : 2GB
硬盘 : 希捷 250GB 7200转
压测软件
Windows XP SP3 ( VMware 6.0 ( RedHat Enterprise Linux 5.4 分了256MB内存 ) )
压测场景
ab直连apache 和 ab通过G5转发给apache
并发数100，总请求数10000次
首先是192.168.1.54:*(apache ab)直连192.168.1.79:8090(apache 2.2.13 for win32)，
Server Software: Apache/2.2.13
Server Hostname: 192.168.1.79
Server Port: 8090
Document Path: /index.html
Document Length: 44 bytes
Concurrency Level: 100
Time taken for tests: 12.503706 seconds
Complete requests: 10000
Failed requests: 0
Write errors: 0
Total transferred: 3160000 bytes
HTML transferred: 440000 bytes
Requests per second: 799.76 [#/sec] (mean)
Time per request: 125.037 [ms] (mean)
Time per request: 1.250 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate: 246.73 [Kbytes/sec] received
Connection Times (ms)
min mean[+/-sd] median max
Connect: 0 0 4.4 0 86
Processing: 11 123 31.7 113 283
Waiting: 8 122 31.6 112 281
Total: 28 123 31.9 113 284
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
50% 113
66% 115
75% 117
80% 120
90% 163
95% 187
98% 249
99% 256
100% 284 (longest request)
然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(主备模式MS)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，
Server Software: Apache/2.2.13
Server Hostname: 192.168.1.54
Server Port: 8080
Document Path: /index.html
Document Length: 44 bytes
Concurrency Level: 100
Time taken for tests: 14.235889 seconds
Complete requests: 10000
Failed requests: 0
Write errors: 0
Total transferred: 3160000 bytes
HTML transferred: 440000 bytes
Requests per second: 702.45 [#/sec] (mean)
Time per request: 142.359 [ms] (mean)
Time per request: 1.424 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate: 216.71 [Kbytes/sec] received
Connection Times (ms)
min mean[+/-sd] median max
Connect: 0 0 8.3 0 154
Processing: 25 140 31.3 132 335
Waiting: 22 139 31.2 131 334
Total: 70 140 32.3 132 338
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
50% 132
66% 134
75% 137
80% 140
90% 175
95% 190
98% 275
99% 295
100% 338 (longest request)
然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(轮询模式RR)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，
Server Software: Apache/2.2.13
Server Hostname: 192.168.1.54
Server Port: 8080
Document Path: /index.html
Document Length: 44 bytes
Concurrency Level: 100
Time taken for tests: 14.15712 seconds
Complete requests: 10000
Failed requests: 0
Write errors: 0
Total transferred: 3160316 bytes
HTML transferred: 440044 bytes
Requests per second: 713.48 [#/sec] (mean)
Time per request: 140.157 [ms] (mean)
Time per request: 1.402 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate: 220.18 [Kbytes/sec] received
Connection Times (ms)
min mean[+/-sd] median max
Connect: 0 0 7.5 0 140
Processing: 26 137 67.8 91 342
Waiting: 25 137 67.8 90 340
Total: 49 138 68.1 91 347
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
50% 91
66% 178
75% 219
80% 222
90% 229
95% 259
98% 273
99% 279
100% 347 (longest request)
然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(最小响应时间模式RT)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，
Server Software: Apache/2.2.13
Server Hostname: 192.168.1.54
Server Port: 8080
Document Path: /index.html
Document Length: 44 bytes
Concurrency Level: 100
Time taken for tests: 14.260485 seconds
Complete requests: 10000
Failed requests: 0
Write errors: 0
Total transferred: 3160000 bytes
HTML transferred: 440000 bytes
Requests per second: 701.24 [#/sec] (mean)
Time per request: 142.605 [ms] (mean)
Time per request: 1.426 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate: 216.33 [Kbytes/sec] received
Connection Times (ms)
min mean[+/-sd] median max
Connect: 0 0 7.7 0 148
Processing: 29 140 27.3 133 346
Waiting: 26 139 27.2 132 346
Total: 65 141 28.4 133 346
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
50% 133
66% 136
75% 138
80% 140
90% 181
95% 190
98% 241
99% 287
100% 346 (longest request)
然后是192.168.1.54:*(apache ab)发往192.168.1.54:8080(G5)(随机模式RD)分发给192.168.1.79:8089,8090,8091(apache 2.2.13 for win32)，
Server Software: Apache/2.2.13
Server Hostname: 192.168.1.54
Server Port: 8080
Document Path: /index.html
Document Length: 44 bytes
Concurrency Level: 100
Time taken for tests: 14.114779 seconds
Complete requests: 10000
Failed requests: 0
Write errors: 0
Total transferred: 3160632 bytes
HTML transferred: 440088 bytes
Requests per second: 708.48 [#/sec] (mean)
Time per request: 141.148 [ms] (mean)
Time per request: 1.411 [ms] (mean, across all concurrent requests)
Transfer rate: 218.64 [Kbytes/sec] received
Connection Times (ms)
min mean[+/-sd] median max
Connect: 0 0 7.3 0 139
Processing: 22 138 67.3 92 354
Waiting: 21 138 67.3 92 353
Total: 48 139 67.6 92 356
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
50% 92
66% 184
75% 212
80% 221
90% 239
95% 255
98% 279
99% 292
100% 356 (longest request)
可以看出，转发的总耗时比直连多了10%左右，大体还是可以接受的，如果G5和WebServer分开部署在不同机器里，G5就能发挥出负载均衡的优势，性能也会大幅提升。
以后若有更好的环境，我将会做更全面更深入的压测。
8.最后
作为一个负载均衡通讯转发分发网络工具，G5基本实现设计目标，并发布出来分享给开源世界，欢迎试用。
G5源代码作为epoll(ET)+全异步综合使用示例也供大家学习参考，欢迎批评指正。
如有问题或建议欢迎联系我
开源项目首页 : http://git.oschina.net/calvinwilliams/G5
作者邮箱 : calvinwilliams.c@gmail.com
附录A.待开发内容
（无）
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