如何利用Node.js 构建分布式集群

ZDNet至顶网软件频道7月21日消息： 在软件定义的世界里，企业通过Web应用和移动应用程序来提供大部分的服务，而Node.js迅速成为时下最为流行的一个平台之一，就和它可以搭建响应速度快、易于扩展的web应用和移动应用很很大关系，并凭借这点成为了新的主流。作为大规模使用Node.js 的云计算服务提供商，UCloud积累了丰富的使用经验。

本文为UCloud 公司高级工程师文天乐在深JS大会上发表的演讲内容，主要介绍了UCloud内部如何利用Node.js 构建分布式集群，并分享了实践过程中走过的坑，希望对正在使用Node.js或是即将使用Node.js的朋友有一些帮助。

图：UCloud高级工程师文天乐

UCloud内部大规模使用了Node.js 技术，利用Node.js研发了一套RPC框架，主要涉及API、Web Console、服务中间层、运营报表、内部运营工具和内部系统等，解决以下四个问题：

1. 服务调动发现程序间解耦；

2. 自动快速扩容服务能力；

3. 脚本语言提高研发效率；

4. 配置集中管理变更应用自动加载。

架构演进

在RPC框架V1版本的架构中，如下图。从图中可以看出，是一个金字塔架构，也就意味所有通信服务需要首先和名字服务进行通信，获取到对端节点状态和IP端口信息，然后再进行通信，这样导致系统的高耦合，增加了系统的复杂性，这并不是一件好事。

图1

为此，我们改进了RPC框架架构，如图2。在V2版本中，可以看到改进的架构已是一个网状架构，实现了将所有消息出入口统一到RabbitMQ Server ，以便所有的通信可以在不知道对端节点状态时，就可以调用对端服务，从而实现了服务端调用关系解耦。

图2

实现方案

那么到底是如何实现服务端调用解耦的呢？在实现方案中，我们采用了（Node.js + Protocol Buffers + Zookeeper + RabbitMQ）的组合，从而实现配置集中化管理：

1. Node.js，主要用于开发业务逻辑。

作为天生的异步脚本语言，Node.js 使用事件驱动、 非阻塞I/O模型大大提升了研发效率，非常适合在分布式设备上运行的数据密集型的实时应用。

我们通过 fibers库采用协程的方式来解决Node.js 异步编程匿名回调问题，将异步回调逻辑转化为同步，同时也满足了程序员使用同步方法编写异步程序的情怀。

可参考官方介绍：https://nodejs.org/
https://github.com/laverdet/node-fibers

2. Protocol Buffers，用于强约束消息定义。

Protocol Buffers一种数据交换的格式，它独立于语言，独立于平台。由于它是一种二进制的格式，相比XML和JSON，传输效率会更高，可以将它用于分布式应用之间的数据通信或者异构环境下的数据交换。我们主要将Protocol Buffers用来模版化定义消息结构。
可参考：https://github.com/google/protobuf

3. Zookeeper，实现配置集中管理。

Zookeeper分布式服务框架是Apache Hadoop 的一个子项目，简单的说，Zookeeper=文件系统+通知机制。它主要是用来解决分布式应用中经常遇到的一些数据管理问题，如：统一命名服务、状态同步服务、集群管理、分布式应用配置项的管理等。

我们使用ZooKeeper看重的是它不仅支持集群高可用，还支持持久化节点、临时节点存储和节点变更监控的特点，主要使用了它提供的命名服务、配置管理和集群管理服务。其中，临时节点特性用以实现名字服务注册，节点变更监控实现配置集中管理。
参考：https://zookeeper.apache.org

4. RabbitMQ，实现异构通讯服务间的解耦。

Rabbitmq是一种应用程序对应用程序的通信方法，选择RabbitMQ的原因在于它可以支持集群高可用、简单易用、性能出色和完善的管理工具（如：Web ui / Rest API ）的特点。

使用Rabbitmq中间件服务端实现解耦，其中主要是利用（ Work Queue + Topics Exchange ）来实现后端的无缝扩容，并采用Publish/ Subscribe + RPC 实现调用解耦，并利用MQ 统一输入输出。
参考：https://www.rabbitmq.com

走过的一些坑

最后，总结经验避免犯同样的错，是非常重要的，还有一些技术遗留问题，需要我们自行避开这些坑。以下是我们在构建RPC框架过程中遇到的一些坑：

♦ 异步编程效率问题(Fibers)& Node.js 内存泄漏问题

在复杂在构建复杂应用的时候，很多地方都可能发生内存泄露，也需要考虑异步编程效率问题。为解决这两个问题，我们目前主要采取以下四个手段来解决：

a) 框架封装所有网络通信，业务方只关注业务逻辑、提高研发效率；

b) 通过Fibers 封装所有异步匿名函数调用转换为同步方法；

c) 谨慎选择第三方库。

♦ 异步框架中日志跟踪

异步程序记录日志乱序不利于跟踪业务逻辑调用路径。为解决这个问题，我们通过包装 Fibers 对每一个 Fiber 实例进行编号，在所有日志输出中打印 Fiber id 记录异步调用路径，并配合跨模块会话编号实现请求调用跟踪，以此解决日志纪录的无序问题。

♦ RabbitMQ HA 高可用问题

如果需要实现RabbitMQ HA 高可用特性，有两种途径可以实现：Server 端 HA 和 Client HA。Server 端的高可用性可使用 LVS 或 HAProxy来实现，Client 端的高可用性也是一种选择，这样可以减少架构复杂度和层次依赖。值得注意的是，实现高可用特性时，要记得开启Queue 高可用配置。

(https://www.rabbitmq.com/ha.html)

♦ RabbitMQ HA 网络闪断导致节点分区问题

网络不稳定导致RabbitMQ HA 网络闪断，进而导致节点分区问题。针对这个问题，需要添加对 /api/nodes 进行监控，并及时处理分区问题。

具体的解决方法可参考： https://www.rabbitmq.com/partitions.html。

♦ ZooKeeper Session Expired

针对ZooKeeper 会话过期问题，需要大家特别关注处理Zookeeper 集群断开后的重连处理，因为如果重连逻辑没有处理好的话，所有依赖ZooKeeper的特性都将不可用。

具体解决方法可参考：http://wiki.apache.org/hadoop/ZooKeeper/FAQ

【结语】

经过应用实践，目前看来 Node.js几乎可以做到其他后端语言所能做到所有的事情，ES6特性正式发布如今有人已经开始高喊“JavaScript: The World's Best Programming Language”，但我也并不认为整个后端完全用Node.js来实现会是一个很好的方案。

本文中提到了Node.js的诸多优点，如异步、非阻塞和事件驱动等，但其也存在一些缺点，如默认单进程单线程不能利用多核，脚本弱类型容易出现运行时BUG，同时因为它简单易用，也导致了代码质量不易控制，对开发人员也提出了更高的要求。所以，就个人经验来看，建议偏复杂业务逻辑控制使用Node.js，如果是偏极致性能的业务建议和C++等其他方案结合使用。