面對大量用戶訪問、高并發(fā)請求，海量數(shù)據(jù)，可以使用高性能的服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)庫，存儲設(shè)備，高性能Web服務(wù)器，采用高效率的編程語言比如(Go，Scala)等，當(dāng)單機(jī)容量達(dá)到極限時，我們需要考慮業(yè)務(wù)拆分和分布式部署，來解決大型網(wǎng)站訪問量大，并發(fā)量高，海量數(shù)據(jù)的問題。
從單機(jī)網(wǎng)站到分布式網(wǎng)站，很重要的區(qū)別是業(yè)務(wù)拆分和分布式部署，將應(yīng)用拆分后，部署到不同的機(jī)器上，實現(xiàn)大規(guī)模分布式系統(tǒng)。分布式和業(yè)務(wù)拆分解決了，從集中到分布的問題，但是每個部署的獨(dú)立業(yè)務(wù)還存在單點(diǎn)的問題和訪問統(tǒng)一入口問題，為解決單點(diǎn)故障，我們可以采取冗余的方式。將相同的應(yīng)用部署到多臺機(jī)器上。解決訪問統(tǒng)一入口問題，我們可以在集群前面增加負(fù)載均衡設(shè)備，實現(xiàn)流量分發(fā)。
負(fù)載均衡（Load Balance），意思是將負(fù)載（工作任務(wù)，訪問請求）進(jìn)行平衡、分?jǐn)偟蕉鄠€操作單元（服務(wù)器，組件）上進(jìn)行執(zhí)行。是解決高性能，單點(diǎn)故障（高可用），擴(kuò)展性（水平伸縮）的終極解決方案。
本文是負(fù)載均衡詳解的第一篇文章，介紹負(fù)載均衡的原理，負(fù)載均衡分類（DNS負(fù)載均衡,HTTP負(fù)載均衡，IP負(fù)載均衡，鏈路層負(fù)載均衡,混合型P負(fù)載均衡）。部分內(nèi)容摘自讀書筆記。
一、負(fù)載均衡原理
系統(tǒng)的擴(kuò)展可分為縱向（垂直）擴(kuò)展和橫向（水平）擴(kuò)展。縱向擴(kuò)展，是從單機(jī)的角度通過增加硬件處理能力，比如CPU處理能力，內(nèi)存容量，磁盤等方面，實現(xiàn)服務(wù)器處理能力的提升，不能滿足大型分布式系統(tǒng)（網(wǎng)站），大流量，高并發(fā)，海量數(shù)據(jù)的問題。因此需要采用橫向擴(kuò)展的方式，通過添加機(jī)器來滿足大型網(wǎng)站服務(wù)的處理能力。比如：一臺機(jī)器不能滿足，則增加兩臺或者多臺機(jī)器，共同承擔(dān)訪問壓力。這就是典型的集群和負(fù)載均衡架構(gòu)：如下圖：
應(yīng)用集群：將同一應(yīng)用部署到多臺機(jī)器上，組成處理集群，接收負(fù)載均衡設(shè)備分發(fā)的請求，進(jìn)行處理，并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。
負(fù)載均衡設(shè)備：將用戶訪問的請求，根據(jù)負(fù)載均衡算法，分發(fā)到集群中的一臺處理服務(wù)器。（一種把網(wǎng)絡(luò)請求分散到一個服務(wù)器集群中的可用服務(wù)器上去的設(shè)備）
負(fù)載均衡的作用（解決的問題）：
1.解決并發(fā)壓力，提高應(yīng)用處理性能（增加吞吐量，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)處理能力）；
2.提供故障轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)高可用；
3.通過添加或減少服務(wù)器數(shù)量，提供網(wǎng)站伸縮性（擴(kuò)展性）；
4.安全防護(hù)；（負(fù)載均衡設(shè)備上做一些過濾，黑白名單等處理）
二、負(fù)載均衡分類
根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)不同，可分為DNS負(fù)載均衡，HTTP負(fù)載均衡，IP負(fù)載均衡，鏈路層負(fù)載均衡等。
2.1 DNS負(fù)載均衡
最早的負(fù)載均衡技術(shù)，利用域名解析實現(xiàn)負(fù)載均衡，在DNS服務(wù)器，配置多個A記錄，這些A記錄對應(yīng)的服務(wù)器構(gòu)成集群。大型網(wǎng)站總是部分使用DNS解析，作為第一級負(fù)載均衡。如下圖：
優(yōu)點(diǎn)
使用簡單：負(fù)載均衡工作，交給DNS服務(wù)器處理，省掉了負(fù)載均衡服務(wù)器維護(hù)的麻煩
提高性能：可以支持基于地址的域名解析，解析成距離用戶最近的服務(wù)器地址，可以加快訪問速度，改善性能；
缺點(diǎn)
可用性差：DNS解析是多級解析，新增/修改DNS后，解析時間較長；解析過程中，用戶訪問網(wǎng)站將失敗；
擴(kuò)展性低：DNS負(fù)載均衡的控制權(quán)在域名商那里，無法對其做更多的改善和擴(kuò)展；
維護(hù)性差：也不能反映服務(wù)器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)；支持的算法少；不能區(qū)分服務(wù)器的差異（不能根據(jù)系統(tǒng)與服務(wù)的狀態(tài)來判斷負(fù)載）
實踐建議
將DNS作為第一級負(fù)載均衡，A記錄對應(yīng)著內(nèi)部負(fù)載均衡的IP地址，通過內(nèi)部負(fù)載均衡將請求分發(fā)到真實的Web服務(wù)器上。一般用于互聯(lián)網(wǎng)公司，復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不合適使用。如下圖：
2.2 IP負(fù)載均衡
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)程獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，根據(jù)負(fù)載均衡算法得到一臺真實服務(wù)器地址，然后將請求目的地址修改為，獲得的真實ip地址，不需要經(jīng)過用戶進(jìn)程處理。
真實服務(wù)器處理完成后，響應(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。如下圖：
IP負(fù)載均衡，真實物理服務(wù)器返回給負(fù)載均衡服務(wù)器，存在兩種方式：（1）負(fù)載均衡服務(wù)器在修改目的ip地址的同時修改源地址。將數(shù)據(jù)包源地址設(shè)為自身盤，即源地址轉(zhuǎn)換（snat）。（2）將負(fù)載均衡服務(wù)器同時作為真實物理服務(wù)器集群的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）在內(nèi)核進(jìn)程完成數(shù)據(jù)分發(fā)，比在應(yīng)用層分發(fā)性能更好；
缺點(diǎn)：
（2）所有請求響應(yīng)都需要經(jīng)過負(fù)載均衡服務(wù)器，集群最大吞吐量受限于負(fù)載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬；
2.3 鏈路層負(fù)載均衡
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。
數(shù)據(jù)分發(fā)時，不修改ip地址，指修改目標(biāo)mac地址，配置真實物理服務(wù)器集群所有機(jī)器虛擬ip和負(fù)載均衡服務(wù)器ip地址一致，達(dá)到不修改數(shù)據(jù)包的源地址和目標(biāo)地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)的目的。
實際處理服務(wù)器ip和數(shù)據(jù)請求目的ip一致，不需要經(jīng)過負(fù)載均衡服務(wù)器進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，可將響應(yīng)數(shù)據(jù)包直接返回給用戶瀏覽器，避免負(fù)載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬成為瓶頸。也稱為直接路由模式（DR模式）。如下圖：
優(yōu)點(diǎn)：性能好；
缺點(diǎn)：配置復(fù)雜；
實踐建議：DR模式是目前使用最廣泛的一種負(fù)載均衡方式。
2.4 混合型負(fù)載均衡
由于多個服務(wù)器群內(nèi)硬件設(shè)備、各自的規(guī)模、提供的服務(wù)等的差異，可以考慮給每個服務(wù)器群采用最合適的負(fù)載均衡方式，然后又在這多個服務(wù)器群間再一次負(fù)載均衡或群集起來以一個整體向外界提供服務(wù)（即把這多個服務(wù)器群當(dāng)做一個新的服務(wù)器群），從而達(dá)到最佳的性能。將這種方式稱之為混合型負(fù)載均衡。
此種方式有時也用于單臺均衡設(shè)備的性能不能滿足大量連接請求的情況下。是目前大型互聯(lián)網(wǎng)公司，普遍使用的方式。
方式一，如下圖：
以上模式適合有動靜分離的場景，反向代理服務(wù)器（集群）可以起到緩存和動態(tài)請求分發(fā)的作用，當(dāng)時靜態(tài)資源緩存在代理服務(wù)器時，則直接返回到瀏覽器。如果動態(tài)頁面則請求后面的應(yīng)用負(fù)載均衡（應(yīng)用集群）。
方式二，如下圖：
以上模式，適合動態(tài)請求場景。
因混合模式，可以根據(jù)具體場景，靈活搭配各種方式，以上兩種方式僅供參考。
三、負(fù)載均衡算法
常用的負(fù)載均衡算法有，輪詢，隨機(jī)，最少鏈接，源地址散列，加權(quán)等方式；
3.1 輪詢
將所有請求，依次分發(fā)到每臺服務(wù)器上，適合服務(wù)器硬件同相同的場景。
優(yōu)點(diǎn)：服務(wù)器請求數(shù)目相同；
缺點(diǎn)：服務(wù)器壓力不一樣，不適合服務(wù)器配置不同的情況；
3.2 隨機(jī)
請求隨機(jī)分配到各個服務(wù)器。
優(yōu)點(diǎn)：使用簡單；
缺點(diǎn)：不適合機(jī)器配置不同的場景；
3.3 最少鏈接
將請求分配到連接數(shù)最少的服務(wù)器（目前處理請求最少的服務(wù)器）。
優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)服務(wù)器當(dāng)前的請求處理情況，動態(tài)分配；
缺點(diǎn)：算法實現(xiàn)相對復(fù)雜，需要監(jiān)控服務(wù)器請求連接數(shù)；
3.4 Hash（源地址散列）
根據(jù)IP地址進(jìn)行Hash計算，得到IP地址。
優(yōu)點(diǎn)：將來自同一IP地址的請求，同一會話期內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)到相同的服務(wù)器；實現(xiàn)會話粘滯。
缺點(diǎn)：目標(biāo)服務(wù)器宕機(jī)后，會話會丟失；
3.5 加權(quán)
在輪詢，隨機(jī)，最少鏈接，Hash’等算法的基礎(chǔ)上，通過加權(quán)的方式，進(jìn)行負(fù)載服務(wù)器分配。
優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)權(quán)重，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的請求數(shù)目；
缺點(diǎn)：使用相對復(fù)雜；
四、硬件負(fù)載均衡
采用硬件的方式實現(xiàn)負(fù)載均衡，一般是單獨(dú)的負(fù)載均衡服務(wù)器，價格昂貴，一般土豪級公司可以考慮，業(yè)界領(lǐng)先的有兩款，F(xiàn)5和A10。
使用硬件負(fù)載均衡，主要考慮一下幾個方面：
（1）功能考慮：功能全面支持各層級的負(fù)載均衡，支持全面的負(fù)載均衡算法，支持全局負(fù)載均衡；
（2）性能考慮：一般軟件負(fù)載均衡支持到5萬級并發(fā)已經(jīng)很困難了，硬件負(fù)載均衡可以支持
（3）穩(wěn)定性：商用硬件負(fù)載均衡，經(jīng)過了良好的嚴(yán)格的測試，從經(jīng)過大規(guī)模使用，在穩(wěn)定性方面高；
（4）安全防護(hù)：硬件均衡設(shè)備除具備負(fù)載均衡功能外，還具備防火墻，防DDOS攻擊等安全功能；
（5）維護(hù)角度：提供良好的維護(hù)管理界面，售后服務(wù)和技術(shù)支持；
（6）土豪公司：F5 Big Ip 價格：15w~55w不等；A10 價格：55w-100w不等；
缺點(diǎn)
（1）價格昂貴；
（2）擴(kuò)展能力差；
4.4 小結(jié)
（1）一般硬件的負(fù)載均衡也要做雙機(jī)高可用，因此成本會比較高。
（2）互聯(lián)網(wǎng)公司一般使用開源軟件，因此大部分應(yīng)用采用軟件負(fù)載均衡；部分采用硬件負(fù)載均衡。
比如某互聯(lián)網(wǎng)公司，目前是使用幾臺F5做全局負(fù)載均衡，內(nèi)部使用Nginx等軟件負(fù)載均衡。
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