负载均衡分类

标签：后端服务   执行   hash   cache   负载   开源软件   基本   中指明   拆分   

介绍

面对大量用户访问、高并发请求，海量数据，可以使用高性能的服务器、大型数据库，存储设备，高性能Web服务器，采用高效率的编程语言比如(Go,Scala)等，当单机容量达到极限时，我们需要考虑业务拆分和分布式部署，来解决大型网站访问量大，并发量高，海量数据的问题。

从单机网站到分布式网站，很重要的区别是业务拆分和分布式部署，将应用拆分后，部署到不同的机器上，实现大规模分布式系统。分布式和业务拆分解决了，从集中到分布的问题，但是每个部署的独立业务还存在单点的问题和访问统一入口问题，为解决单点故障，我们可以采取冗余的方式。将相同的应用部署到多台机器上。解决访问统一入口问题，我们可以在集群前面增加负载均衡设备，实现流量分发。

负载均衡（Load Balance），意思是将负载（工作任务，访问请求）进行平衡、分摊到多个操作单元（服务器，组件）上进行执行。是解决高性能，单点故障（高可用），扩展性（水平伸缩）的终极解决方案。

系统的扩展可分为纵向（垂直）扩展和横向（水平）扩展。纵向扩展，是从单机的角度通过增加硬件处理能力，比如CPU处理能力，内存容量，磁盘等方面，实现服务器处理能力的提升；而单机能力总有上限，因此需要采用横向扩展的方式，通过添加更多机器来提升更强的系统处理能力。比如：一台机器不能满足，则增加两台或者多台机器，共同承担访问压力。在分布式系统中相同的服务常常会部署很多台，每一台被称为一个服务节点（实例）。通过一些负载均衡策略将服务请求均匀地分布到各个节点，以实现整个系统支撑海量请求的需求。

负载均衡的作用（解决的问题）：

1. 解决并发压力，提高应用处理性能（增加吞吐量，加强网络处理能力）；
2. 提供故障转移，实现高可用；
3. 通过添加或减少服务器数量，提供网站伸缩性（扩展性）；
4. 安全防护；（负载均衡设备上做一些过滤，黑白名单等处理）

负载均衡虽然理解起来简单，但实现方式就很多了，可大可小；可以软件实现，也可以硬件实现，由于涉及的技术很多，这里只是简单的介绍常用技术。

DNS负载均衡

DNS是最简单的、也是最常见的负载均衡方式，一般用来实现地理级别的均衡，例如北方的用户访问北京的机房，南方的用户访问广州的机房；一般不太会使用DNS来做机器级别的负载均衡，因为太耗费IP资源了，例如百度搜索可能要10000台机器以上，不可能将这么多机器全部配置公网ip然后用DNS来做负载均衡。有兴趣的同学可以在linux用 dig baidu.com命令看看实际上用了几个ip地址。

优点

• 使用简单：负载均衡工作，交给DNS服务器处理，省掉了负载均衡服务器维护的麻烦
• 提高性能：可以支持基于地址的域名解析，解析成距离用户最近的服务器地址，可以加快访问速度，改善性能；

缺点

• 可用性差：DNS解析是多级解析，新增/修改DNS后，解析时间较长；解析过程中，用户访问网站将失败；
• 扩展性低：DNS负载均衡的控制权在域名商那里，无法对其做更多的改善和扩展；
• 维护性差：也不能反映服务器的当前运行状态；支持的算法少；不能区分服务器的差异（不能根据系统与服务的状态来判断负载）

所以对于时延和故障敏感的业务，有一些公司自己实现了HTTP-DNS的功能，即：使用http协议实现一个私有的DNS系统。这样的方案和通用的DNS优缺点正好相反。

硬件负载均衡

采用硬件的方式实现负载均衡，一般是单独的负载均衡服务器，价格昂贵，一般土豪级公司可以考虑，业界领先的有两款，F5和A10。

使用硬件负载均衡，主要考虑一下几个方面：

• 功能考虑：功能全面支持各层级的负载均衡，支持全面的负载均衡算法，支持全局负载均衡；
• 性能考虑：硬件远远高于软件，一般软件负载均衡支持到5万级并发已经很困难了，硬件负载均衡可以支持；
• 稳定性：商用硬件负载均衡，经过了良好的严格的测试，从经过大规模使用，在稳定性方面高；
• 安全防护：硬件均衡设备除具备负载均衡功能外，还具备防火墙，防DDOS攻击等安全功能；
• 维护角度：提供良好的维护管理界面，售后服务和技术支持；
• 土豪公司：F5 Big Ip 价格：15w~55w不等；A10 价格：55w-100w不等；

缺点：

• 价格昂贵；
• 扩展能力差；

再加上即使硬件的负载均衡也要做双机高可用，因此成本会更高。比如互联网公司通常使用开源软件，小公司甚至都不一定有负载均衡的考虑，因为当前大部分应用采用了软件负载均衡，也就核心应用采用硬件负载均衡，或者说可以使用几台F5做全局负载均衡，内部使用Nginx等软件负载均衡。

软负载均衡(Nginx & LVS & HA)

DNS用于实现地理级别的负载均衡，而Nginx&LVS&HA就是用于同一地点内机器级别的负载均衡。其中Nginx是软件的7层负载均衡，LVS是内核的4层负载均衡。

4层和7层的区别就在于协议和灵活性。Nginx支持HTTP、Email协议，而LVS和F5是4层负载均衡，和协议无关，几乎所有应用都可以做，例如聊天、数据库等。

Ngnix负载均衡

Ngnix是一款轻量级的Web服务器/反向代理服务器，工作在七层Http协议的负载均衡系统。具有高性能、高并发、低内存使用等特点。是一个轻量级的Http和反向代理服务器。Nginx使用epoll 和 kqueue作为开发模型。能够支持高达 50,000 个并发连接数的响应。 Ngnix的负载均衡策略可以划分为两大类：内置策略和扩展策略。内置策略包含加权轮询和ip hash，在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核，只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多，如fair、通用hash、consistent hash等，默认不编译进nginx内核。由于在nginx版本升级中负载均衡的代码没有本质性的变化，因此下面将以nginx1.0.15稳定版为例，从源码角度分析各个策略。

Ngnix的负载均衡策略

• 加权轮询（weighted round robin） 轮询的原理很简单，首先我们介绍一下轮询的基本流程。
• IP Hash ip hash是nginx内置的另一个负载均衡的策略，流程和轮询很类似，只是其中的算法和具体的策略有些变化
• fair fair策略是扩展策略，默认不被编译进nginx内核。其原理是根据后端服务器的响应时间判断负载情况，从中选出负载最轻的机器进行分流。这种策略具有很强的自适应性，但是实际的网络环境往往不是那么简单，因此要慎用。
• 通用hash、一致性hash 这两种也是扩展策略，在具体的实现上有些差别，通用hash比较简单，可以以nginx内置的变量为key进行hash，一致性hash采用了nginx内置的一致性hash环，可以支持memcache。

Ngnix 负载均衡的适合场景

Ngnix高可用，至少包含两个Ngnix服务器，一台主服务器，一台备服务器，之间使用Keepalived做健康监控和故障检测。开放VIP端口，通过防火墙进行外部映射。

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