面试题：Node.js负载均衡与分布式系统集成

Question

假设你正在构建一个基于Node.js的大型分布式微服务系统，需要将负载均衡与服务发现、分布式缓存、分布式事务管理等功能深度集成，以确保系统的高可用性和稳定性。请详细描述整个集成架构设计，包括各个组件之间的交互流程，以及如何处理负载均衡过程中的网络故障、节点失效等异常情况。

Answer 1

基于Node.js的大型分布式微服务系统集成架构设计

一、整体架构概述

1. 负载均衡与服务发现：采用 Consul 作为服务发现与配置管理工具，结合 Nginx 或 HAProxy 进行负载均衡。Consul 提供服务注册与发现功能，Nginx/HAProxy 根据 Consul 中注册的服务信息进行请求转发。
2. 分布式缓存：使用 Redis Cluster 作为分布式缓存。Redis Cluster 提供高可用、分布式的数据存储，能够应对大量的缓存读写请求。
3. 分布式事务管理：引入 Seata 框架来管理分布式事务。Seata 提供 AT、TCC、SAGA 等事务模式，满足不同业务场景的事务需求。

二、组件交互流程

（一）服务注册与发现及负载均衡

1. 服务注册
   • 每个微服务启动时，向 Consul 进行服务注册，提供自身的服务名称、IP 地址、端口等信息。
   • Consul 将这些信息存储在其键值对数据库中。
2. 负载均衡器获取服务信息
   • Nginx 或 HAProxy 定期从 Consul 获取服务注册信息。
   • 负载均衡器根据 Consul 提供的服务列表，更新自身的配置，以便知道可以将请求转发到哪些服务实例。
3. 请求转发
   • 客户端发送请求到负载均衡器（Nginx/HAProxy）。
   • 负载均衡器根据预设的负载均衡算法（如轮询、最少连接数等），从 Consul 提供的服务实例列表中选择一个合适的微服务实例，并将请求转发过去。

（二）分布式缓存交互

1. 缓存读取
   • 微服务在处理业务逻辑时，首先尝试从 Redis Cluster 中读取数据。
   • 如果缓存命中，直接返回数据，减少数据库访问压力。
2. 缓存写入
   • 当数据发生变化（如新增、更新、删除）时，微服务在更新数据库后，同时更新 Redis Cluster 中的缓存数据，以保证缓存与数据库的一致性。

（三）分布式事务管理交互（以 Seata AT 模式为例）

1. 事务开启
   • 业务发起方开启一个分布式事务，并向 Seata Server 注册全局事务。
   • Seata Server 生成一个全局事务 ID（XID）。
2. 分支事务执行
   • 业务发起方调用其他微服务参与事务，每个微服务执行本地事务。
   • 在执行本地事务前，Seata 的代理数据源会记录数据的原始状态（before image）。
   • 本地事务执行完成后，代理数据源记录数据的当前状态（after image）。
3. 事务提交/回滚
   • 业务发起方完成所有分支事务调用后，根据业务结果向 Seata Server 提交或回滚全局事务。
   • Seata Server 根据全局事务状态协调各个分支事务的提交或回滚。如果全局事务提交，各分支事务直接提交；如果全局事务回滚，Seata Server 利用 before image 对各分支事务进行回滚。

三、异常情况处理

（一）负载均衡过程中的网络故障

1. 检测机制
   • 负载均衡器（Nginx/HAProxy）通过心跳检测机制，定期向微服务实例发送健康检查请求。
   • 例如，Nginx 可以配置使用 HTTP、TCP 或 UDP 协议进行健康检查，HAProxy 也有类似的健康检查配置选项。
2. 故障处理
   • 当某个微服务实例在连续多次健康检查中无响应时，负载均衡器判定该实例所在网络出现故障。
   • 负载均衡器将该故障实例从服务列表中暂时移除，不再向其转发请求，以避免请求因网络故障而长时间等待或失败。
   • 同时，负载均衡器向运维监控系统发送告警信息，通知运维人员进行网络故障排查与修复。

（二）节点失效

1. 服务发现层面
   • Consul 采用 gossip 协议进行成员关系管理和故障检测。当某个微服务节点失效时，Consul 通过 gossip 协议在集群内传播节点失效信息。
   • 其他 Consul 节点收到该信息后，更新本地的服务注册信息，将失效节点从服务列表中移除。
2. 负载均衡层面
   • 负载均衡器（Nginx/HAProxy）在获取到 Consul 中更新后的服务列表后，自动将失效节点从自身的转发配置中删除，从而不再向失效节点转发请求。
3. 分布式缓存层面
   • Redis Cluster 采用主从复制和自动故障转移机制。当某个 Redis 节点失效时，集群中的其他节点会自动检测到，并进行故障转移。
   • 从节点会被提升为主节点，继续提供缓存服务。客户端在与 Redis Cluster 交互时，会自动感知到节点的变化并重新连接到新的主节点，保证缓存服务的可用性。
4. 分布式事务管理层面
   • Seata Server 采用集群部署方式，通过 Raft 协议进行选举和数据同步，保证高可用性。当某个 Seata Server 节点失效时，集群中的其他节点会重新选举出 leader 节点，继续提供事务管理服务。
   • 对于正在进行的分布式事务，如果某个参与事务的微服务节点失效，Seata Server 会根据事务状态进行处理。如果该节点已完成分支事务提交且结果为成功，不影响全局事务；如果分支事务未完成或结果为失败，Seata Server 会协调其他节点进行回滚操作，确保数据一致性。