负载均衡原理与技术实现

负载均衡（Load Balance，简称LB）是一种服务器或网络设备的集群技术。负载均衡将特定的业务（网络服务、网络流量等）分担给多个服务器或网络设备，从而提高了业 务处理能力，保证了业务的高可用性。负载均衡基本概念有：实服务、实服务组、虚服务、调度算法、持续性等，其常用应用场景主要是服务器负载均衡，链路负载 均衡。

一 服务器负载均衡

服务器负载均衡根据LB设备处理到的报文层次，分为四层服务器负载均衡和七层负载均衡，四层处理到IP包的IP头，不解析报文四层以上载荷（L4 SLB）；七层处理到报文载荷部分，比如HTTP，RTSP，SIP报文头，有时也包括报文内容部分（L7 SLB）。

1.四层服务器负载均衡技术

客户端将请求发送给服务器群前端的负载均衡设备，负载均衡设备上的虚服务接收客户端请求，通过调度算法，选择真实服务器，再通过网络地址转换，用真 实服务器地址重写请求报文的目标地址后，将请求发送给选定的真实服务器；真实服务器的响应报文通过负载均衡设备时，报文的源地址被还原为虚服务的 VSIP，再返回给客户，完成整个负载调度过程。报文交互流程如下：

               NAT方式的服务器负载均衡报文交互流程图

报文交互流程说明：
（1）Host发送服务请求报文，源IP为Host IP、目的IP为VSIP
（2）LB Device接收到请求报文后，借助调度算法计算出应该将请求分发给哪台Server
（3）LB Device使用DNAT技术分发报文，源IP为Host IP、目的IP为Server IP
（4）Server接收并处理请求报文，返回响应报文，源IP为Server IP、目的IP为Host IP
（5）LB Device接收响应报文，转换源IP后转发，源IP为VSIP、目的IP为Host IP

2.七层服务器负载均衡技术

七层负载均衡和四层负载均衡相比，只是进行负载均衡的依据不同，而选择确定的实服务器后，所做的处理基本相同，下面以HTTP应用的负载均衡为例来说明。

由于在TCP握手阶段，无法获得HTTP真正的请求内容，因此也就无法将客户的TCP握手报文直接转发给服务器， 必须由负载均衡设备先和客户完成TCP握手，等收到足够的七层内容后，再选择服务器，由负载均衡设备和所选服务器建立TCP连接。

七层负载均衡组网和四层负载均衡组网有一个显著的区别：四层负载均衡每个虚服务对应一个实服务组，实服务组内的所有实服务器提供相同的服务；七层负 载均衡每个虚服务对应多个实服务组，每组实服务器提供相同的服务。根据报文内容选择对应的实服务组，然后根据实服务组调度算法选择某一个实服务器。

                                       七层负载均衡组网图

上图中描述了基于HTTP的URI目录信息进行的七层负载均衡部署，报文交互流程图如下：

                        七层负载均衡报文交互流程图

报文交互流程说明：
(1)-(3)：Client和LB建立TCP连接；
(4)：Client发送HTTP请求，目的IP为虚IP；
(5)：LB设备分析报文，根据调度算法选择实服务器，注意此时会缓存该报文；
(6)：LB设备向实服务器发Syn报文，序列号为Client的Syn报文序列号
(7)：Server发送Syn/Ack报文，目的IP为Client；
(8)：LB接收Server的Syn/Ack报文后，回应ACK报文
(9)：修改步骤(5)中缓存的报文目的IP和TCP序列号，然后发给Server；
(10)：Server发送响应报文到LB；
(11)：LB修改步骤(9)中的报文的源地址和TCP序列号后转发给Client。

二 链路负载均衡

在企业网、运营商链路出口需要部署LB设备以优化链路选择，提升访问体验，链路负载均衡按照流量发起方向分为Inbound负载均衡和Outbound负载均衡

1.Inbound入方向负载均衡

Inbound负载均衡技术是DNS智能解析的一种，外网用户通过域名访问内部服务器时，Local DNS的地址解析请求到达LB设备，LB根据对Local DNS的就近性探测结果响应一个最优的IP地址，外网用户根据这个最优的IP响应进行对内部服务器的访问。

                                Inbound链路负载均衡组网图

                          入方向负载均衡

流程简述如下：
(1)外部用户进行资源访问前先进行DNS解析，向其本地DNS服务器发送DNS请求。
(2)本地DNS服务器将DNS请求的源IP地址替换为自己的IP地址，并转发给域名对应的权威服务器——LB device。
(3)LB device根据DNS请求的域名和配置的Inbound链路负载均衡规则进行域名解析。
(4)LB device按照域名解析的结果，将DNS应答发送给本地DNS服务器。
(5)本地DNS服务器将解析结果转发给用户。
(6)用户使用解析结果选择的链路，直接对LB device进行资源访问。

2.Outbound出方向负载均衡

内网用户访问Internet上其他服务器。 Outbound链路负载均衡中VSIP为内网用户发送报文的目的网段。用户将访问VSIP的报文发 送到负载均衡设备后，负载均衡设备依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法选择最佳的链路，并将内网访问外网的业务流量分发到该链路。

                      Outbound链路负载均衡组网图

Outbound负载均衡报文交互流程如下：

             Outbound 链路负载均衡流程图

Outbound负载均衡报文交互流程说明：
(1)LB Device接收内网用户流量      -
(2)LB Device依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法进行链路选择   在Outbound链路负载均衡组网中，通常使用就近性算法或带宽调度算法实现流量分发
(3)LB device按照链路选择的结果将流量转发给选定的链路       -
(4)LB Device接收外网用户流量      -
(5)LB Device将流量转发给内网用户     

三 负载均衡优化及应用

1.TCP连接复用

连接复用功能通过使用连接池技术，可以将前端大量的客户的HTTP请求复用到后端与服务器建立的少量的TCP长连接上，大大减小服务器的性能负载，减小与服务器之间新建TCP连接所带来的延时，并最大限度减少后端服务器的并发连接数，降低服务器的资源占用。

                                     TCP连接复用示意图

上图给出了TCP连接复用的简单过程描述。由Client端发送的Req1/ Req2/ Req3三个HTTP请求，经过LB设备后，复用了LB设备和Server端已经建立好的连接，将Client端的三个请求通过两个TCP连接发送给了服务器端。

2.SSL卸载

为了避免明文传输出现的安全问题，对于敏感信息，一般采用SSL协议，如HTTPS，对HTTP协议进行加密，以保证整个HTTP传输过程的安全 性。SSL是需要耗费大量CPU资源的一种安全技术，如果由后端的服务器来承担，则会消耗很大的处理能力。应用交付设备为了提升用户的体验，分担服务器的 处理压力，将SSL加解密集中在自身的处理上，相对于服务器来说LB能提供更高的SSL处理性能，还能够简化对证书的管理，减少日常管理的工作量，LB的 该功能又称为SSL卸载。

下图中Client端发送给Server的所有的HTTPS流量都被LB设备终结，LB设备将SSL终结后，与Server之间可采用HTTP或者 弱加密的HTTPS进行通讯。LB设备承担了SSL的卸载工作，从而极大的减小了服务器端对SSL处理的压力，将服务器的处理能力释放出来，更加专注于处 理服务器本身承担的业务逻辑。

                                    SSL卸载示意图

SSL卸载的处理流程如下：

                              SSL卸载过程

(1)客户端向服务器端发送SSL握手请求。
(2)LB设备作为中间的卸载设备，代替服务器端和客户端交互，完成SSL握手过程。
(3)客户端发送SSL加密后的请求数据。
(4)LB设备解密数据。
(5)LB设备将解密后的明文发送给Server。
(6)服务器返回给LB设备回应报文。
(7)LB设备将返回的应答报文加密。
(8)LB设备将加密后的应答报文传给客户端。

四 结束语

负载均衡技术不管应用于用户访问服务器资源，还是应用于多链路出口，均大大提高了对资源的高效利用，显著降低了用户的网络布署成本，提升了用户的网络使用体验。随着云计算的发展，负载均衡的技术实现还将与云计算相结合，在虚拟化和NFV软件定义网关等方面持续发展。

转载自SDNLAB