负载均衡

负载均衡

关于负载均衡不太理解，这里记录下什么是负载均衡。

1.什么是负载均衡

​ 负载均衡，英文名称为Load Balance，其含义就是指将负载（工作任务）进行平衡、分摊到多个操作单元上进行运行，例如FTP服务器、Web服务器、企业核心应用服务器和其它主要任务服务器等，从而协同完成工作任务。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。简单举例，进火车站，有A、B、C、D、E5个通道，A、B、C通道距离较近，有多人挤在A、B、C通道上，工作人员告诉后面来的人到D、E通道上进站，缓解ABC的压力，此时，工作人员就是负载均衡。
​ 负载均衡构建在原有网络结构之上，它提供了一种透明且廉价有效的方法扩展服务器和网络设备的带宽、加强网络数据处理能力、增加吞吐量、提高网络的可用性和灵活性。

2.负载均衡分类

1、软/硬件负载均衡

​ 软件负载均衡解决方案是指在一台或多台服务器相应的操作系统上安装一个或多个附加软件来实现负载均衡，如DNS Load Balance，CheckPoint Firewall-1 ConnectControl等，它的优点是基于特定环境，配置简单，使用灵活，成本低廉，可以满足一般的负载均衡需求。
​ 软件解决方案缺点也较多，因为每台服务器上安装额外的软件运行会消耗系统不定量的资源，越是功能强大的模块，消耗得越多，所以当连接请求特别大的时候，软件本身会成为服务器工作成败的一个关键；软件可扩展性并不是很好，受到操作系统的限制；由于操作系统本身的Bug，往往会引起安全问题。
​ 硬件负载均衡解决方案是直接在服务器和外部网络间安装负载均衡设备，这种设备通常称之为负载均衡器，由于专门的设备完成专门的任务，独立于操作系统，整体性能得到大量提高，加上多样化的负载均衡策略，智能化的流量管理，可达到最佳的负载均衡需求。
​ 负载均衡器有多种多样的形式，除了作为独立意义上的负载均衡器外，有些负载均衡器集成在交换设备中，置于服务器与Internet链接之间，有些则以两块网络适配器将这一功能集成到PC中，一块连接到Internet上，一块连接到后端服务器群的内部网络上。一般而言，硬件负载均衡在功能、性能上优于软件方式，不过成本昂贵。

2、本地/全局负载均衡

​ 负载均衡从其应用的地理结构上分为本地负载均衡(Local Load Balance)和全局负载均衡(Global Load Balance，也叫地域负载均衡)，本地负载均衡针对本地范围的服务器群做负载均衡，全局负载均衡针对不同地理位置、不同网络结构的服务器群做负载均衡。

​ 本地负载均衡不需要花费高额成本购置高性能服务器，只需利用现有设备资源,就可有效避免服务器单点故障造成数据流量的损失，通常用来解决数据流量过大、网络负荷过重的问题。同时它拥有形式多样的均衡策略把数据流量合理均衡的分配到各台服务器。如果需要在现在服务器上升级扩充，不需改变现有网络结构、停止现有服务，仅需要在服务群中简单地添加一台新服务器。

​ 全局负载均衡主要解决全球用户只需一个域名或IP地址就能访问到离自己距离最近的服务器获得最快的访问速度，它在多区域都拥有自己的服务器站点，同时也适用于那些子公司站点分布广的大型公司通过企业内部网(Intranet)达到资源合理分配的需求。

全局负载均衡具备的特点：

1、提高服务器响应速度，解决网络拥塞问题，达到高质量的网络访问效果。

2、能够远距离为用户提供完全的透明服务,真正实现与地理位置无关性

3、能够避免各种单点失效，既包括数据中心、服务器等的单点失效，也包括专线故障引起的单点失效。

3.负载均衡部署方式

​ 负载均衡有三种部署方式：路由模式、桥接模式、服务直接返回模式。路由模式部署灵活，约60%的用户采用这种方式部署；桥接模式不改变现有的网络架构；服务直接返回（DSR）比较适合吞吐量大特别是内容分发的网络应用。约30%的用户采用这种模式。

1、路由模式（推荐）

路由模式的部署方式，服务器服务器)的网关必须设置成负载均衡机的LAN口地址，且与WAN口分署不同的逻辑网络。因此所有返回的流量也都经过负载均衡。这种方式对网络的改动小，能均衡任何下行流量。

2、桥接模式

桥接模式配置简单，不改变现有网络。负载均衡的WAN口和LAN口分别连接上行设备和下行服务器。LAN口不需要配置IP（WAN口与LAN口是桥连接），所有的服务器与负载均衡均在同一逻辑网络中。

由于这种安装方式容错性差，网络架构缺乏弹性，对广播风暴及其他生成树协议循环相关联的错误敏感，因此一般不推荐这种安装架构。

3、服务直接返回模式

这种安装方式负载均衡的LAN口不使用，WAN口与服务器在同一个网络中，互联网的客户端访问负载均衡的虚IP（VIP），虚IP对应负载均衡机的WAN口，负载均衡根据策略将流量分发到服务器上，服务器直接响应客户端的请求。因此对于客户端而言，响应他的IP不是负载均衡机的虚IP（VIP），而是服务器自身的IP地址。也就是说返回的流量是不经过负载均衡的。因此这种方式适用大流量高带宽要求的服务。

4.负载均衡算法

介绍

​ 现有的负载均衡算法主要分为静态和动态两类。静态负载均衡算法以固定的概率分配任务，不考虑服务器的状态信息，如轮转算法、加权轮转算法等；动态负载均衡算法以服务器的实时负载状态信息来决定任务的分配，如最小连接法、加权最小连接法等。

分类

1、轮询法

轮询法，就是将用户的请求轮流分配给服务器，就像是挨个数数，轮流分配。这种算法比较简单，他具有绝对均衡的优点，但是也正是因为绝对均衡它必须付出很大的代价，例如它无法保证分配任务的合理性，无法根据服务器承受能力来分配任务。

2、随机法

随机法，是随机选择一台服务器来分配任务。它保证了请求的分散性达到了均衡的目的。同时它是没有状态的不需要维持上次的选择状态和均衡因子[5]。但是随着任务量的增大，它的效果趋向轮询后也会具有轮询算法的部分缺点。

3、最小连接法

最小连接法，将任务分配给此时具有最小连接数的节点，因此它是动态负载均衡算法。一个节点收到一个任务后连接数就会加1，当节点故障时就将节点权值设置为0，不再给节点分配任务。最小连接法适用于各个节点处理的性能相似时。任务分发单元会将任务平滑分配给服务器。但当服务器性能差距较大时，就无法达到预期的效果。因为此时连接数并不能准确表明处理能力，连接数小而自身性能很差的服务器可能不及连接数大而自身性能极好的服务器。所以在这个时候就会导致任务无法准确的分配到剩余处理能力强的机器上。

5.均衡技术

常见的软件负载均衡技术有以下几种:

1、基于DNS的负载均衡

由于在DNS服务器中，可以为多个不同的地址配置相同的名字，最终查询这个名字的客户机将在解析这个名字时得到其中一个地址，所以这种代理方式是通过DNS服务中的随机名字解析域名和IP来实现负载均衡。

2、反向代理负载均衡（如Apache+JK2+Tomcat这种组合）

该种代理方式与普通的代理方式不同，标准代理方式是客户使用代理访问多个外部Web服务器，之所以被称为反向代理模式是因为这种代理方式是多个客户使用它访问内部Web服务器，而非访问外部服务器。

3、基于NAT（Network Address Translation）的负载均衡技术（如Linux VirtualServer，简称LVS）

该技术通过一个地址转换网关将每个外部连接均匀转换为不同的内部服务器地址，因此外部网络中的计算机就各自与自己转换得到的地址上的服务器进行通信，从而达到负载均衡的目的。其中网络地址转换网关位于外部地址和内部地址之间，不仅可以实现当外部客户机访问转换网关的某一外部地址时可以转发到某一映射的内部的地址上，还可使内部地址的计算机能访问外部网络。

6.应用

1、DNS负载均衡 最早的负载均衡技术是通过DNS来实现的，在DNS中为多个地址配置同一个名字，因而查询这个名字的客户机将得到其中一个地址，从而使得不同的客户访问不同的服务器，达到负载均衡的目的。DNS负载均衡是一种简单而有效的方法，但是它不能区分服务器的差异，也不能反映服务器的当前运行状态。
2、代理服务器负载均衡 使用代理服务器，可以将请求转发给内部的服务器，使用这种加速模式显然可以提升静态网页的访问速度。然而，也可以考虑这样一种技术，使用代理服务器将请求均匀转发给多台服务器，从而达到负载均衡的目的。
3、地址转换网关负载均衡 支持负载均衡的地址转换网关，可以将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部地址，达到负载均衡的目的。
4、协议内部支持负载均衡除了这三种负载均衡方式之外，有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如HTTP协议中的重定向能力等，HTTP运行于TCP连接的最高层。
5、NAT负载均衡NAT（Network Address Translation网络地址转换）简单地说就是将一个IP地址转换为另一个IP地址，一般用于未经注册的内部地址与合法的、已获注册的Internet IP地址间进行转换。适用于解决Internet IP地址紧张、不想让网络外部知道内部网络结构等的场合下。
6、反向代理负载均衡普通代理方式是代理内部网络用户访问internet上服务器的连接请求，客户端必须指定代理服务器，并将本来要直接发送到internet上服务器的连接请求发送给代理服务器处理。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。反向代理负载均衡技术是把将来自internet上的连接请求以反向代理的方式动态地转发给内部网络上的多台服务器进行处理，从而达到负载均衡的目的。
7、混合型负载均衡在有些大型网络，由于多个服务器群内硬件设备、各自的规模、提供的服务等的差异，可以考虑给每个服务器群采用最合适的负载均衡方式，然后又在这多个服务器群间再一次负载均衡或群集起来以一个整体向外界提供服务（即把这多个服务器群当做一个新的服务器群），从而达到最佳的性能。将这种方式称之为混合型负载均衡。此种方式有时也用于单台均衡设备的性能不能满足大量连接请求的情况下。 [3]