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SpringSession系列:分布式Session实现方案

Spring Session winrains 来源:GuoLei Song 8个月前 (03-21) 86次浏览
上一篇文章 SpringSession:集成SpringBoot 中介绍了如何在SpringBoot中来集成 SpringSession,整个过程非常简单,同时也简单分析了下SpringSession的作用原理。继上一篇实践之后,本文主要来分析 SpringSession 的原理。

1、从 session 的一致性方案说起

关于 sessioncookie 的一些知识,大家可以参考下我之前写的一篇文章:聊一聊session和cookie

Session作为服务器端使用的一种记录客户端状态的机制,其对客户端是透明的;但是Session 的正常运作仍然需要客户端浏览器的支持。我们都知道,HTTP协议是无状态的,Session不能依据HTTP连接来判断是否为同一客户,因此服务器需要向客户端浏览器发送一个识别标志(sessionId),这个识别标志通过是通过Cookie机制来完成。

1.1、session 一致性问题的由来

当用户首次访问我们的Servlet时,应用服务器端会给用户创建一个独立的Session,并且存储在内存中。这种情况在单应用服务器场景下是可以满足的(这里不讨论其一个弊端,就是内存占用给服务器带来的压力的问题)。在集群场景下,这种机制就会到来问题:

1.1.1、单机场景

http://image.winrains.cn/2020/03/20200320134706-bf37a.png

因为是一台应用服务器,用户的每次请求都是由这台机器来处理,所以不会有session共享问题。

1.1.2、集群场景

http://image.winrains.cn/2020/03/20200320134706-d6c99.png

假设现在集群中有三台机器,(从上到下:A->B->C)。当前用户首次发起访问时,请求被分配到 A 机器处理,Session数据被写入 A 机器的内存中;当再次发起访问 时,请求被分配的 B 处理,但此时 B 内存中并没有当前用户的任何数据,这样就出现了session不一致的情况了。

1.2、Session 一致性问题的方案

对于当前服务化、单元化应用盛行的时代,简单的内存型的 Session 已经不能够满足我们的要求了。那么我们就需要寻求一种方案来替换目前单机内存存储实现的方案。

1.2.1 基于 IP-HASH 的实现机制

在 1.1.2 中因为我们无法知道请求会被分配到哪台机器来处理,所以会导致session不一致的问题出现。如果我们可以解决让每个用户的请求能够固定的打到某一台机器上,那么上面提到的问题其实也就不存在了。IP-HASH 就是这样一种方案。通过对请求的客户端 IP 进行 HASH 计算,并将计算结果映射到具体一台机器,这样就可以将请求固定分配到某一台机器上,从而有效的避免session一致性问题的出现。

这种方案的好处在于:

  • 不需要修改任何应用代码,0 侵入。
  • 安全性高,不依赖其他三方缓存框架带来的风险
  • 成本低

但是问题也很明显,这种方式实际上是规避了session一致性问题的出现,并非是针对session一致性问题给出的解决方案。主要问题:

  • 基于应用内存,会给应用服务器带来一定的压力
  • 服务重启会导致session数据丢失
  • 不利于水平扩展,水平扩展也可能丢失session
  • 存在单点负载高的情况,就是多数请求经过HASH计算之后打到同一台机器,而其他机器处于空闲状态。

1.2.2 session 复制

这种方式的实现原理是应用服务器创建session之后通过组播的方式将session发送到组播地址内的其他应用服务器上。这种方式相较于IP-HASH 的方式要靠谱一点:

  • 同样不需要更改任何业务代码
  • 能够适应多种负载策略
  • 机器重启或者宕机之后不怕丢失,因为有冗余备份

但是这种方式也有比较大的问题:

  • 首先就是服务器之间同步session会占用一定的网络资源,同时session在不同的机器之间进行同步存在延迟。
  • 还是基于内存存储,局限于机器内存容量影响,水平扩展能力差
  • 服务器内存因为需要存储其他机器上的session数据,对内存的消耗会随着集群的规模变大而变大,可能会导致机器频繁触发GC

1.2.3 借助三方缓存框架实现 session 集中管理

上面两种方式都是有服务器自己来管理session的,主要问题还是在于对于性能和内存的影响。而这种方式的原理是将session托管给三方软件(如redis)来统一管理。这种方式可以有效的解决性能、内存占用以及水平扩展等问题。但是因为引入了三方软件,在实现复杂度、运维成本等方面会有所增加。

目前所接触到的分布式session的实现方案,大多都是基于这种方式来实现的;SpringSession 也不例外。

2、SpringSession 功能结构分析

前面对分布式场景下的 Session一致性问题进行了说明,并对解决Session一致性的问题的几种策略进行的分析(有点糙,网上这些知识有很多)。在了解这些背景之后,我们来看下 SpringSession 的实现原理。

2.1 简介

Spring Session 提供了用于管理用户会话信息的API和实现,在不依赖特定于应用程序容器的解决方案的情况下,使得支持群集会话变得更加简单。它还提供了透明的集成:

  • 允许以应用程序容器(Tomcat等)中立的方式替换 HttpSesseion,支持在 headers中提供 session IDs来使用 RESTful API
  • 提供在接收 WebSocket 消息时保持HTTP 会话存活的能力
  • 允许以应用程序容器中立的方式替换 Spring WebFluxWebSession

以上来自官网文档翻译 Spring Session

2.2 模块

Spring Session 主要包括 4 个模块:

  • spring-session-core :提供了 Spring Session 核心功能和API
  • spring-session-data-redis:以 redis 作为存储机制的 SessionRepository 实现
  • spring-session-hazelcast:以 Hazelcast 作为存储机制的 SessionRepository 实现
  • spring-session-jdbc:以关系型数据库作为存储机制的 SessionRepository 实现

总体来说就是 核心API+存储实现;工程模块截图如下:

http://image.winrains.cn/2020/03/20200320134707-9fa01.png

2.3 功能结构

SpringSession整体上可以分为三块:

  • 对于Web层的处理,这里包括对于请求的重写,自定义的filter加入到filter chain,cookie处理,http header处理等
  • 公共基础封装,比如存储类的顶层抽象接口定义,自定配置,事件处理等。
  • 存储部分,这部分实际上是对公共基础封装接口的实现,提供了丰富的存储实现,包括redis,内存存储,jdbc等。

2.4 多 session 支持

对于常用的分布式session,在实现上一般会依赖于 cookie。但是在 springsession 中提供了基于header来传递jessionID的策略实现。同时在 2.0.4 版本之前,对于同一个浏览器同一个网站,springsession 支持多个session问题,但是在此版本之后抛弃了对于对 session 的支持。关于更多关于多session支持可以查看 SpringSession 的官方文档

小结

本文对分布式 session 的几种实现策略进行了简单的介绍。对于分布式 session 而言,如何解决一致性问题是关键,目前我见过的绝大多数方案均是以 【借助三方缓存框架实现 session 集中管理】 这种来实现的,包括本系列文章中所要介绍的 SpringSession。

除分布式session一致性方式解决方案的介绍之外,作为SpringSession 的第二篇文章,在这里简单分析了下Springsession的功能模块,以便后续展开对源码的分析。

作者:GuoLei Song

来源:http://www.glmapper.com/2018/11/24/spring-session-solutions/


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