1.什么是負(fù)載均衡

Load balancing，即負(fù)載均衡，是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)，用來(lái)在多個(gè)計(jì)算機(jī)（計(jì)算機(jī)集群）、網(wǎng)絡(luò)連接、CPU、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或其他資源中分配負(fù)載，以達(dá)到最優(yōu)化資源使用、最大化吞吐率、最小化響應(yīng)時(shí)間、同時(shí)避免過(guò)載的目的。

2.為什么需要負(fù)載均衡

我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常免不了要去一些比較擁擠的地方，比如地鐵站、火車站、電影院、銀行等。無(wú)論是買票，還是排隊(duì)入場(chǎng)，這些場(chǎng)所一般都會(huì)設(shè)置多個(gè)服務(wù)點(diǎn)或者入口的。如果沒(méi)有人引導(dǎo)的話，大多數(shù)情況下，最近的入口會(huì)擠滿人。而哪些距離較遠(yuǎn)的服務(wù)點(diǎn)或者入口就寬松很多。

這種情況下，就會(huì)大大浪費(fèi)資源，因?yàn)槿绻梢园堰@些排隊(duì)的人很好的分散到各個(gè)入口的話會(huì)大大縮短排隊(duì)時(shí)間。其實(shí)，網(wǎng)站的建設(shè)也是一樣的。為了提升網(wǎng)站的服務(wù)能力，很多網(wǎng)站采用集群部署，就像話劇院有多個(gè)入口一樣。這時(shí)候，就需要一個(gè)協(xié)調(diào)者，來(lái)均衡的分配這些用戶的請(qǐng)求，可以讓用戶的可以均勻的分派到不同的服務(wù)器上。

（圖挺丑的，但是不想在畫(huà)圖上浪費(fèi)太多時(shí)間~~）

什么是負(fù)載均衡

在早高峰乘地鐵時(shí)候，緊挨小區(qū)的地鐵口人特別多，一般會(huì)有限流，還會(huì)有個(gè)地鐵工作人員D那個(gè)大喇叭在喊“著急的人員請(qǐng)走B口，B口人少車空”。。。

而這個(gè)地鐵工作人員D就是負(fù)責(zé)負(fù)載均衡的。為了提升網(wǎng)站的各方面能力，我們一般會(huì)把多臺(tái)機(jī)器組成一個(gè)集群對(duì)外提供服務(wù)。然而，我們的網(wǎng)站對(duì)外提供的訪問(wèn)入口都是一個(gè)的，比如www.taobao.com。那么當(dāng)用戶在瀏覽器輸入www.taobao.com的時(shí)候如何將用戶的請(qǐng)求分發(fā)到集群中不同的機(jī)器上呢，這就是負(fù)載均衡在做的事情。

負(fù)載均衡（Load Balance），意思是將負(fù)載（工作任務(wù)，訪問(wèn)請(qǐng)求）進(jìn)行平衡、分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)操作單元（服務(wù)器，組件）上進(jìn)行執(zhí)行。是解決高性能，單點(diǎn)故障（高可用），擴(kuò)展性（水平伸縮）的終極解決方案。

3.負(fù)載均衡分類

先看下OSI七層模型

OSI是一個(gè)開(kāi)放性的通信系統(tǒng)互連參考模型，他是一個(gè)定義得非常好的協(xié)議規(guī)范。

OSI模型有7層結(jié)構(gòu)，每層都可以有幾個(gè)子層。 OSI的7層從上到下分別是 7、應(yīng)用層；6、表示層；5、會(huì)話層；4、傳輸層；3、網(wǎng)絡(luò)層；2、數(shù)據(jù)鏈路層；1、物理層；

其中高層（即7、6、5、4層）定義了應(yīng)用程序的功能，下面3層（即3、2、1層）主要面向通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的端到端的數(shù)據(jù)流。

在這七層模型種，高層次都是依賴于低層次的。層次越高，使用起來(lái)越方便。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的概念：

TELNET、HTTP、FTP、NFS、SMTP、DNS等屬于第七層應(yīng)用層的概念。

TCP、UDP、SPX等屬于第四層傳輸層的概念。

IP、IPX等屬于第三層網(wǎng)絡(luò)層的概念。

ATM、FDDI等屬于第二層數(shù)據(jù)鏈路層的概念。

了解了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的七層模型以后，再來(lái)看看負(fù)載均衡。我們可以很明確的一點(diǎn)是，負(fù)載均衡是要在網(wǎng)絡(luò)傳輸中做文章的。而要在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程搞事情，那么這七層模型就勢(shì)必躲不開(kāi)。

所以，根據(jù)負(fù)載均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)在OSI七層模型的不同層次，是可以給負(fù)載均衡分類的。

常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式中，主要可以在應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)傳輸層做文章。所以，工作在應(yīng)用層的負(fù)載均衡，我們通常稱之為七層負(fù)載均衡、工作在傳輸層的我們稱之為四層負(fù)載均衡。

大致可以分為以下幾種，其中最常用的是四層和七層負(fù)載均衡：

二層負(fù)載均衡

負(fù)載均衡服務(wù)器對(duì)外依然提供一個(gè)VIP（虛IP），集群中不同的機(jī)器采用相同IP地址，但是機(jī)器的MAC地址不一樣。當(dāng)負(fù)載均衡服務(wù)器接受到請(qǐng)求之后，通過(guò)改寫(xiě)報(bào)文的目標(biāo)MAC地址的方式將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)機(jī)器實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

三層負(fù)載均衡

和二層負(fù)載均衡類似，負(fù)載均衡服務(wù)器對(duì)外依然提供一個(gè)VIP（虛IP），但是集群中不同的機(jī)器采用不同的IP地址。當(dāng)負(fù)載均衡服務(wù)器接受到請(qǐng)求之后，根據(jù)不同的負(fù)載均衡算法，通過(guò)IP將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至不同的真實(shí)服務(wù)器。

四層負(fù)載均衡

四層負(fù)載均衡工作在OSI模型的傳輸層，由于在傳輸層，只有TCP/UDP協(xié)議，這兩種協(xié)議中除了包含源IP、目標(biāo)IP以外，還包含源端口號(hào)及目的端口號(hào)。四層負(fù)載均衡服務(wù)器在接受到客戶端請(qǐng)求后，以后通過(guò)修改數(shù)據(jù)包的地址信息（IP+端口號(hào)）將流量轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器。

七層負(fù)載均衡

七層負(fù)載均衡工作在OSI模型的應(yīng)用層，應(yīng)用層協(xié)議較多，常用http、radius、dns等。七層負(fù)載就可以基于這些協(xié)議來(lái)負(fù)載。這些應(yīng)用層協(xié)議中會(huì)包含很多有意義的內(nèi)容。比如同一個(gè)Web服務(wù)器的負(fù)載均衡，除了根據(jù)IP加端口進(jìn)行負(fù)載外，還可根據(jù)七層的URL、瀏覽器類別、語(yǔ)言來(lái)決定是否要進(jìn)行負(fù)載均衡。

負(fù)載均衡工具

市面上有很多開(kāi)源的負(fù)載均衡的工具或軟件，基本都是基于前面提到的方案實(shí)現(xiàn)的，大多數(shù)是工作在第七層和第四層的。Nginx/LVS/HAProxy是目前使用最廣泛的三種負(fù)載均衡軟件。

LVS：LVS主要用來(lái)做四層負(fù)載均衡

LVS（Linux Virtual Server），也就是Linux虛擬服務(wù)器, 是一個(gè)由章文嵩博士發(fā)起的自由軟件項(xiàng)目。使用LVS技術(shù)要達(dá)到的目標(biāo)是：通過(guò)LVS提供的負(fù)載均衡技術(shù)和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能、高可用的服務(wù)器群集，它具有良好可靠性、可擴(kuò)展性和可操作性。從而以低廉的成本實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的服務(wù)性能。

Nginx：Nginx主要用來(lái)做七層負(fù)載均衡

Nginx（發(fā)音同engine x）是一個(gè)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，它能反向代理HTTP, HTTPS, SMTP, POP3, IMAP的協(xié)議鏈接，以及一個(gè)負(fù)載均衡器和一個(gè)HTTP緩存。。

HAProxy：HAProxy主要用來(lái)做七層負(fù)載均衡

HAProxy是一個(gè)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的自由及開(kāi)放源代碼軟件，其提供高可用性、負(fù)載均衡，以及基于TCP和HTTP的應(yīng)用程序代理。

4.負(fù)載均衡算法

負(fù)載均衡服務(wù)器在決定將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到具體哪臺(tái)真實(shí)服務(wù)器的時(shí)候，是通過(guò)負(fù)載均衡算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。負(fù)載均衡算法，是一個(gè)負(fù)載均衡服務(wù)器的核心。

就像電影院門口的引導(dǎo)員一樣，他根據(jù)什么把排隊(duì)人員分配到具體的入口呢？是哪個(gè)入口人少嗎？還是哪個(gè)入口速度最快？還是哪個(gè)入口最近呢？

負(fù)載均衡算法可以分為兩類：靜態(tài)負(fù)載均衡算法和動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法。

1）.靜態(tài)負(fù)載均衡算法包括：輪詢，比率，優(yōu)先權(quán)

輪詢（Round Robin）：順序循環(huán)將請(qǐng)求一次順序循環(huán)地連接每個(gè)服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從順序循環(huán)隊(duì)列中拿出，不參加下一次的輪詢，直到其恢復(fù)正常。

比率（Ratio）：給每個(gè)服務(wù)器分配一個(gè)加權(quán)值為比例，根椐這個(gè)比例，把用戶的請(qǐng)求分配到每個(gè)服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配, 直到其恢復(fù)正常。

優(yōu)先權(quán)（Priority）：給所有服務(wù)器分組,給每個(gè)組定義優(yōu)先權(quán)，BIG-IP 用戶的請(qǐng)求，分配給優(yōu)先級(jí)最高的服務(wù)器組（在同一組內(nèi)，采用輪詢或比率算法，分配用戶的請(qǐng)求）；當(dāng)最高優(yōu)先級(jí)中所有服務(wù)器出現(xiàn)故障，BIG-IP 才將請(qǐng)求送給次優(yōu)先級(jí)的服務(wù)器組。這種方式，實(shí)際為用戶提供一種熱備份的方式。

2).動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡算法包括: 最少連接數(shù),最快響應(yīng)速度，觀察方法，預(yù)測(cè)法，動(dòng)態(tài)性能分配，動(dòng)態(tài)服務(wù)器補(bǔ)充，服務(wù)質(zhì)量，服務(wù)類型，規(guī)則模式。

最少的連接方式（Least Connection）：傳遞新的連接給那些進(jìn)行最少連接處理的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配, 直到其恢復(fù)正常。

最快模式（Fastest）：傳遞連接給那些響應(yīng)最快的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

觀察模式（Observed）：連接數(shù)目和響應(yīng)時(shí)間以這兩項(xiàng)的最佳平衡為依據(jù)為新的請(qǐng)求選擇服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

預(yù)測(cè)模式（Predictive）：BIG-IP利用收集到的服務(wù)器當(dāng)前的性能指標(biāo)，進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，選擇一臺(tái)服務(wù)器在下一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，其性能將達(dá)到最佳的服務(wù)器相應(yīng)用戶的請(qǐng)求。(被BIG-IP 進(jìn)行檢測(cè))

動(dòng)態(tài)性能分配(Dynamic Ratio-APM)：BIG-IP 收集到的應(yīng)用程序和應(yīng)用服務(wù)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整流量分配。

動(dòng)態(tài)服務(wù)器補(bǔ)充(Dynamic Server Act.)：當(dāng)主服務(wù)器群中因故障導(dǎo)致數(shù)量減少時(shí)，動(dòng)態(tài)地將備份服務(wù)器補(bǔ)充至主服務(wù)器群。

服務(wù)質(zhì)量(QoS）：按不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分配。

服務(wù)類型(ToS)：按不同的服務(wù)類型（在Type of Field中標(biāo)識(shí)）負(fù)載均衡對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分配。

規(guī)則模式：針對(duì)不同的數(shù)據(jù)流設(shè)置導(dǎo)向規(guī)則，用戶可自行。

以上，就是目前實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的主流算法。不同的負(fù)載均衡服務(wù)器會(huì)選擇不同的算法。就像電影院和火車站可能會(huì)選用不同的引導(dǎo)策略一樣?；疖囌究赡軙?huì)把行李少的旅客分配到一個(gè)專門的入口，可能給即將發(fā)車的旅客分派到特快入口，手持可掃描車票的用戶單獨(dú)分配到特殊入口等。

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