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大型網(wǎng)站架構(gòu)系列：負載均衡詳解

日期：2016-07-18點擊：2827

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。為此，廣州網(wǎng)站公司進行負載均衡詳解。

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、分攤到多個操作單元（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。

本次分享大綱

負載均衡原理

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

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。縱向擴展，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)。

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。

2.1DNS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：

優(yōu)點

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

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

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；

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）

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：

1.3 IP負載均衡

在網(wǎng)絡(luò)層通過修改請求目標地址進行負載均衡。

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；

2.4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。

2.5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：