什么是負(fù)載均衡？負(fù)載均衡在什么情況下使用

什么是負(fù)載均衡？

早期的互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)流量相對較小，業(yè)務(wù)邏輯簡單， 1臺(tái)服務(wù)器可以基本滿足需求。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)流量越來越大，業(yè)務(wù)邏輯越來越復(fù)雜。單臺(tái)機(jī)器的性能問題以及單點(diǎn)問題凸顯了出來，因此需要多臺(tái)機(jī)器來進(jìn)行性能的水平擴(kuò)展以及避免單點(diǎn)故障

最初方法是使用DNS做負(fù)載，通過給客戶端解析不同的IP地址，讓客戶端的流量直接到達(dá)各個(gè)服務(wù)器。但是這種方法有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是延時(shí)性問題，在做出調(diào)度策略改變以后，由于DNS各級節(jié)點(diǎn)的緩存并不會(huì)及時(shí)的在客戶端生效，而且DNS負(fù)載的調(diào)度策略比較簡單，無法滿足業(yè)務(wù)需求，因此就出現(xiàn)了負(fù)載均衡。

客戶端的流量首先會(huì)到達(dá)負(fù)載均衡服務(wù)器，由負(fù)載均衡服務(wù)器通過一定的調(diào)度算法將流量分發(fā)到不同的應(yīng)用服務(wù)器上面，同時(shí)負(fù)載均衡服務(wù)器也會(huì)對應(yīng)用服務(wù)器做周期性的健康檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)時(shí)便動(dòng)態(tài)的將節(jié)點(diǎn)從應(yīng)用服務(wù)器集群中剔除，以此來保證應(yīng)用的高可用。

負(fù)載均衡又分為四層負(fù)載均衡和七層負(fù)載均衡。四層負(fù)載均衡工作在OSI模型的傳輸層，主要工作是轉(zhuǎn)發(fā)，它在接收到客戶端的流量以后通過修改數(shù)據(jù)包的地址信息將流量轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器。

七層負(fù)載均衡工作在OSI模型的應(yīng)用層，因?yàn)樗枰馕鰬?yīng)用層流量，所以七層負(fù)載均衡在接到客戶端的流量以后，還需要一個(gè)完整的TCP/IP協(xié)議棧。七層負(fù)載均衡會(huì)與客戶端建立一條完整的連接并將應(yīng)用層的請求流量解析出來，再按照調(diào)度算法選擇一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器，并與應(yīng)用服務(wù)器建立另外一條連接將請求發(fā)送過去，因此七層負(fù)載均衡的主要工作就是代理。

負(fù)載均衡的算法

1、隨機(jī)算法

Random隨機(jī)，按權(quán)重設(shè)置隨機(jī)概率。在一個(gè)截面上碰撞的概率高，但調(diào)用量越大分布越均勻，而且按概率使用權(quán)重后也比較均勻，有利于動(dòng)態(tài)調(diào)整提供者權(quán)重。

2、輪詢及加權(quán)輪詢

輪詢(Round Robbin)當(dāng)服務(wù)器群中各服務(wù)器的處理能力相同時(shí)，且每筆業(yè)務(wù)處理量差異不大時(shí)，最適合使用這種算法。 輪循，按公約后的權(quán)重設(shè)置輪循比率。存在慢的提供者累積請求問題，比如：第二臺(tái)機(jī)器很慢，但沒掛，當(dāng)請求調(diào)到第二臺(tái)時(shí)就卡在那，久而久之，所有請求都卡在調(diào)到第二臺(tái)上。

加權(quán)輪詢(Weighted Round Robbin)為輪詢中的每臺(tái)服務(wù)器附加一定權(quán)重的算法。比如服務(wù)器1權(quán)重1，服務(wù)器2權(quán)重2，服務(wù)器3權(quán)重3，則順序?yàn)?-2-2-3-3-3-1-2-2-3-3-3- ......

3、最小連接及加權(quán)最小連接

最少連接(Least Connections)在多個(gè)服務(wù)器中，與處理連接數(shù)(會(huì)話數(shù))最少的服務(wù)器進(jìn)行通信的算法。即使在每臺(tái)服務(wù)器處理能力各不相同，每筆業(yè)務(wù)處理量也不相同的情況下，也能夠在一定程度上降低服務(wù)器的負(fù)載。

加權(quán)最少連接(Weighted Least Connection)為最少連接算法中的每臺(tái)服務(wù)器附加權(quán)重的算法，該算法事先為每臺(tái)服務(wù)器分配處理連接的數(shù)量，并將客戶端請求轉(zhuǎn)至連接數(shù)最少的服務(wù)器上。

4、哈希算法

普通哈希

一致性哈希一致性Hash，相同參數(shù)的請求總是發(fā)到同一提供者。當(dāng)某一臺(tái)提供者掛時(shí)，原本發(fā)往該提供者的請求，基于虛擬節(jié)點(diǎn)，平攤到其它提供者，不會(huì)引起劇烈變動(dòng)。

5、IP地址散列

通過管理發(fā)送方IP和目的地IP地址的散列，將來自同一發(fā)送方的分組(或發(fā)送至同一目的地的分組)統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)到相同服務(wù)器的算法。當(dāng)客戶端有一系列業(yè)務(wù)需要處理而必須和一個(gè)服務(wù)器反復(fù)通信時(shí)，該算法能夠以流(會(huì)話)為單位，保證來自相同客戶端的通信能夠一直在同一服務(wù)器中進(jìn)行處理。

6、URL散列

通過管理客戶端請求URL信息的散列，將發(fā)送至相同URL的請求轉(zhuǎn)發(fā)至同一服務(wù)器的算法。

負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)

DNS域名解析負(fù)載均衡

利用DNS處理域名解析請求的同時(shí)進(jìn)行負(fù)載均衡是另一種常用的方案。在DNS服務(wù)器中配置多個(gè)A記錄，如：www.mysite.com IN A 114.100.80.1、www.mysite.com IN A 114.100.80.2、www.mysite.com IN A 114.100.80.3.

每次域名解析請求都會(huì)根據(jù)負(fù)載均衡算法計(jì)算一個(gè)不同的IP地址返回，這樣A記錄中配置的多個(gè)服務(wù)器就構(gòu)成一個(gè)集群，并可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

DNS域名解析負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)是將負(fù)載均衡工作交給DNS，省略掉了網(wǎng)絡(luò)管理的麻煩，缺點(diǎn)就是DNS可能緩存A記錄，不受網(wǎng)站控制。事實(shí)上，大型網(wǎng)站總是部分使用DNS域名解析，作為第一級負(fù)載均衡手段，然后再在內(nèi)部做第二級負(fù)載均衡。

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載均衡(LVS)

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載均衡是指在通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層修改mac地址進(jìn)行負(fù)載均衡。

這種數(shù)據(jù)傳輸方式又稱作三角傳輸模式，負(fù)載均衡數(shù)據(jù)分發(fā)過程中不修改IP地址，只修改目的的mac地址，通過配置真實(shí)物理服務(wù)器集群所有機(jī)器虛擬IP和負(fù)載均衡服務(wù)器IP地址一樣，從而達(dá)到負(fù)載均衡，這種負(fù)載均衡方式又稱為直接路由方式（DR）.

在上圖中，用戶請求到達(dá)負(fù)載均衡服務(wù)器后，負(fù)載均衡服務(wù)器將請求數(shù)據(jù)的目的mac地址修改為真是WEB服務(wù)器的mac地址，并不修改數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP地址，因此數(shù)據(jù)可以正常到達(dá)目標(biāo)WEB服務(wù)器，該服務(wù)器在處理完數(shù)據(jù)后可以經(jīng)過網(wǎng)管服務(wù)器而不是負(fù)載均衡服務(wù)器直接到達(dá)用戶瀏覽器。

使用三角傳輸模式的鏈路層負(fù)載均衡是目前大型網(wǎng)站所使用的最廣的一種負(fù)載均衡手段。在linux平臺(tái)上最好的鏈路層負(fù)載均衡開源產(chǎn)品是LVS(linux virtual server)。

IP負(fù)載均衡

IP負(fù)載均衡：即在網(wǎng)絡(luò)層通過修改請求目標(biāo)地址進(jìn)行負(fù)載均衡。

用戶請求數(shù)據(jù)包到達(dá)負(fù)載均衡服務(wù)器后，負(fù)載均衡服務(wù)器在操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，根據(jù)負(fù)載均衡算法計(jì)算得到一臺(tái)真實(shí)的WEB服務(wù)器地址，然后將數(shù)據(jù)包的IP地址修改為真實(shí)的WEB服務(wù)器地址，不需要通過用戶進(jìn)程處理。真實(shí)的WEB服務(wù)器處理完畢后，相應(yīng)數(shù)據(jù)包回到負(fù)載均衡服務(wù)器，負(fù)載均衡服務(wù)器再將數(shù)據(jù)包源地址修改為自身的IP地址發(fā)送給用戶瀏覽器。

這里的關(guān)鍵在于真實(shí)WEB服務(wù)器相應(yīng)數(shù)據(jù)包如何返回給負(fù)載均衡服務(wù)器，一種是負(fù)載均衡服務(wù)器在修改目的IP地址的同時(shí)修改源地址，將數(shù)據(jù)包源地址改為自身的IP，即源地址轉(zhuǎn)換（SNAT），另一種方案是將負(fù)載均衡服務(wù)器同時(shí)作為真實(shí)物理服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，這樣所有的數(shù)據(jù)都會(huì)到達(dá)負(fù)載均衡服務(wù)器。

IP負(fù)載均衡在內(nèi)核進(jìn)程完成數(shù)據(jù)分發(fā)，較反向代理均衡有更好的處理性能。但由于所有請求響應(yīng)的數(shù)據(jù)包都需要經(jīng)過負(fù)載均衡服務(wù)器，因此負(fù)載均衡的網(wǎng)卡帶寬成為系統(tǒng)的瓶頸。

HTTP重定向負(fù)載均衡

HTTP重定向服務(wù)器是一臺(tái)普通的應(yīng)用服務(wù)器，其唯一的功能就是根據(jù)用戶的HTTP請求計(jì)算一臺(tái)真實(shí)的服務(wù)器地址，并將真實(shí)的服務(wù)器地址寫入HTTP重定向響應(yīng)中（響應(yīng)狀態(tài)嗎302）返回給瀏覽器，然后瀏覽器再自動(dòng)請求真實(shí)的服務(wù)器。

這種負(fù)載均衡方案的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，缺點(diǎn)是瀏覽器需要每次請求兩次服務(wù)器才能拿完成一次訪問，性能較差；使用HTTP302響應(yīng)碼重定向，可能是搜索引擎判斷為SEO作弊，降低搜索排名。重定向服務(wù)器自身的處理能力有可能成為瓶頸。因此這種方案在實(shí)際使用中并不見多。

反向代理負(fù)載均衡

傳統(tǒng)代理服務(wù)器位于瀏覽器一端，代理瀏覽器將HTTP請求發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。而反向代理服務(wù)器則位于網(wǎng)站機(jī)房一側(cè)，代理網(wǎng)站web服務(wù)器接收http請求。

反向代理的作用是保護(hù)網(wǎng)站安全，所有互聯(lián)網(wǎng)的請求都必須經(jīng)過代理服務(wù)器，相當(dāng)于在web服務(wù)器和可能的網(wǎng)絡(luò)攻擊之間建立了一個(gè)屏障。

除此之外，代理服務(wù)器也可以配置緩存加速web請求。當(dāng)用戶第一次訪問靜態(tài)內(nèi)容的時(shí)候，靜態(tài)內(nèi)存就被緩存在反向代理服務(wù)器上，這樣當(dāng)其他用戶訪問該靜態(tài)內(nèi)容時(shí)，就可以直接從反向代理服務(wù)器返回，加速web請求響應(yīng)速度，減輕web服務(wù)器負(fù)載壓力。

另外，反向代理服務(wù)器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的功能。

負(fù)載均衡在什么情況下使用？

場景一：應(yīng)用于高訪問量的業(yè)務(wù)

如果您的應(yīng)用訪問量很高，您可以通過配置監(jiān)聽規(guī)則將流量分發(fā)到不同的ECS實(shí)例上。此外，您可以使用會(huì)話保持功能將同一客戶端的請求轉(zhuǎn)發(fā)到同一臺(tái)后端ECS，提高訪問效率。

場景二：橫向擴(kuò)張系統(tǒng)

您可以根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，通過隨時(shí)添加和移除ECS實(shí)例來擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)能力，適用于各種Web服務(wù)器和App服務(wù)器。

場景三：消除單點(diǎn)故障

您可以在負(fù)載均衡實(shí)例下添加多臺(tái)ECS實(shí)例。當(dāng)其中一部分ECS實(shí)例發(fā)生故障后，負(fù)載均衡會(huì)自動(dòng)屏蔽故障的ECS實(shí)例，將請求分發(fā)給正常運(yùn)行的ECS實(shí)例，保證應(yīng)用系統(tǒng)仍能正常工作。

場景四：同城容災(zāi) （多可用區(qū)容災(zāi)）

為了提供更加穩(wěn)定可靠的負(fù)載均衡服務(wù)，阿里云負(fù)載均衡已在各地域部署了多可用區(qū)以實(shí)現(xiàn)同地域容災(zāi)。當(dāng)主可用區(qū)出現(xiàn)機(jī)房故障或不可用時(shí)，負(fù)載均衡仍然有能力在非常短的時(shí)間內(nèi)（大約30s中斷）切換到另外一個(gè)備可用區(qū)恢復(fù)服務(wù)能力；當(dāng)主可用區(qū)恢復(fù)時(shí)，負(fù)載均衡同樣會(huì)自動(dòng)切換到主可用區(qū)提供服務(wù)。

場景五：跨地域容災(zāi)

您可以在不同地域下部署負(fù)載均衡實(shí)例，并分別掛載相應(yīng)地域內(nèi)不同可用區(qū)的ECS。上層利用云解析做智能DNS，將域名解析到不同地域的負(fù)載均衡實(shí)例服務(wù)地址下，可實(shí)現(xiàn)全局負(fù)載均衡。當(dāng)某個(gè)地域出現(xiàn)不可用時(shí)，暫停對應(yīng)解析即可實(shí)現(xiàn)所有用戶訪問不受影響。