《大型網(wǎng)站架構(gòu)系列：負載均衡詳解（上）》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

《大型網(wǎng)站架構(gòu)系列：負載均衡詳解（上）》

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)單機容量達到極限時，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，但是每個部署的獨立業(yè)務(wù)還存在單點的問題和訪問統(tǒng)一入口問題，為解決單點故障，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載均衡設(shè)備，實現(xiàn)流量分發(fā)。

負載均衡（Load Balance），意思是將負載（工作任務(wù)，訪問請求）進行平衡、分?jǐn)偟蕉鄠€操作單元（服務(wù)器，組件）上進行執(zhí)行。是解決高性能，單點故障（高可用），擴展性（水平伸縮）的終極解決方案。

本文是負載均衡詳解的第一篇文章，介紹負載均衡的原理，負載均衡分類（DNS 負載均衡,HTTP 負載均衡，IP 負載均衡，鏈路層負載均衡, 混合型P 負載均衡）。部分內(nèi)容摘自讀書筆記。

一、負載均衡原理

系統(tǒng)的擴展可分為縱向（垂直）擴展和橫向（水平）擴展?？v向擴展，是從單機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展的方式，通過添加機器來滿足大型網(wǎng)站服務(wù)的處理能力。比如：一臺機器不能滿足，則增加兩臺或者多臺機器，共同承擔(dān)訪問壓力。這就是典型的集群和負載均衡架構(gòu)：如下圖：

應(yīng)用集群：將同一應(yīng)用部署到多臺機器上，組成處理集群，接收負載均衡設(shè)備分發(fā)的請求，進行處理，并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。

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?

? 負載均衡設(shè)備：將用戶訪問的請求，根據(jù)負載均衡算法，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（擴展性）；

4. 安全防護；（負載均衡設(shè)備上做一些過濾，黑白名單等處理）

二、負載均衡分類

根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)不同，可分為DNS 負載均衡，HTTP 負載均衡，IP 負載均衡，鏈路層負載均衡等。

2.1 DNS負載均衡

最早的負載均衡技術(shù)，利用域名解析實現(xiàn)負載均衡，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，作為第一級負載均衡。如下圖：

1.

使用簡單：負載均衡工作，交給DNS 服務(wù)器處理，省掉了負載均衡服務(wù)器維護的麻煩

2. 3.

4.

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；

5. 缺點

1.

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??；

2.

3.

4.

擴展性低：DNS 負載均衡的控制權(quán)在域名商那里，無法對其做更多的改善和擴展；

5. 6.

7.

維護性差：也不能反映服務(wù)器的當(dāng)前運行狀態(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)來判斷負載）

8.

實踐建議

將DNS 作為第一級負載均衡，A 記錄對應(yīng)著內(nèi)部負載均衡的IP 地址，通過內(nèi)部負載均衡將請求分發(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 負載均衡

在網(wǎng)絡(luò)層通過修改請求目標(biāo)地址進行負載均衡。

用戶請求數(shù)據(jù)包，到達負載均衡服務(wù)器后，負載均衡服務(wù)器在操作系統(tǒng)內(nèi)核進程獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，根據(jù)負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)包回到負載均衡服務(wù)器，負載均衡服務(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 負載均衡，真實物理服務(wù)器返回給負載均衡服務(wù)器，存在兩種方式：（1）負載均衡服務(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：

（1）在內(nèi)核進程完成數(shù)據(jù)分發(fā)，比在應(yīng)用層分發(fā)性能更好；

缺點：

（2）所有請求響應(yīng)都需要經(jīng)過負載均衡服務(wù)器，集群最大吞吐量受限于負載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬；

2.3 鏈路層負載均衡

在通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層修改mac 地址，進行負載均衡。

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)器集群所有機器虛擬ip 和負載均衡服務(wù)器ip 地址一致，達到不修改數(shù)據(jù)包的源地址和目標(biāo)地址，進行數(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)過負載均衡服務(wù)器進行地址轉(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：性能好；

缺點：配置復(fù)雜；

實踐建議：DR 模式是目前使用最廣泛的一種負載均衡方式。

2.4 混合型負載均衡

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載均衡方式，然后又在這多個服務(wù)器群間再一次負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），從而達到最佳的性能。將這種方式稱之為混合型負載均衡。

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、負載均衡算法

常用的負載均衡算法有，輪詢，隨機，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：服務(wù)器請求數(shù)目相同；

缺點：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

請求隨機分配到各個服務(wù)器。

優(yōu)點：使用簡單；

缺點：不適合機器配置不同的場景；

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：根據(jù)服務(wù)器當(dāng)前的請求處理情況，動態(tài)分配；

缺點：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 地址進行Hash 計算，得到IP 地址。

優(yōu)點：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：目標(biāo)服務(wù)器宕機后，會話會丟失；

3.5 加權(quán)

在輪詢，隨機，最少鏈接，Hash’等算法的基礎(chǔ)上，通過加權(quán)的方式，進行負載服務(wù)器分配。

優(yōu)點：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：使用相對復(fù)雜；

四、硬件負載均衡

采用硬件的方式實現(xiàn)負載均衡，一般是單獨的負載均衡服務(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載均衡，支持全面的負載均衡算法，支持全局負載均衡；

（2）性能考慮：一般軟件負載均衡支持到5萬級并發(fā)已經(jīng)很困難了，硬件負載均衡可以支持

（3）穩(wěn)定性：商用硬件負載均衡，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：硬件均衡設(shè)備除具備負載均衡功能外，還具備防火墻，防DDOS 攻擊等安全功能；

（5）維護角度：提供良好的維護管理界面，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

（1）價格昂貴；

（2）擴展能力差；

4.4 小結(jié)

（1）一般硬件的負載均衡也要做雙機高可用，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)用采用軟件負載均衡；部分采用硬件負載均衡。

比如某互聯(lián)網(wǎng)公司，目前是使用幾臺F5做全局負載均衡，內(nèi)部使用Nginx 等軟件負載均衡。

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一、軟件負載均衡概述

硬件負載均衡性能優(yōu)越，功能全面，但是價格昂貴，一般適合初期或者土豪級公司長期使用。因此軟件負載均衡在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大量使用。常用的軟件負載均衡軟件有Nginx ，Lvs ，HaProxy 等。本文參考大量文檔，部分為直接拷貝。

二、Ngnix 負載均衡

Ngnix 是一款輕量級的Web 服務(wù)器/反向代理服務(wù)器，工作在七層Http 協(xié)議的負載均衡系統(tǒng)。具有高性能、高并發(fā)、低內(nèi)存使用等特點。是一個輕量級的Http 和反向代理服務(wù)器。Nginx 使用epoll and kqueue作為開發(fā)模型。能夠支持高達 50,000 個并發(fā)連接數(shù)的響應(yīng)。

操作系統(tǒng)：Liunx ，Windows （Linux 、FreeBSD 、Solaris 、Mac OS X、AIX 以及Microsoft Windows ）

開發(fā)語言：C

并發(fā)性能：官方支持每秒5萬并發(fā)，實際國內(nèi)一般到每秒2萬并發(fā)，有優(yōu)化到每秒10萬并發(fā)的。具體性能看應(yīng)用場景。

2.1. 特點

1. 模塊化設(shè)計：良好的擴展性，可以通過模塊方式進行功能擴展。

2. 高可靠性：主控進程和worker 是同步實現(xiàn)的，一個worker 出現(xiàn)問題，會立刻啟動另一個worker 。