如何理解Linux下的负载均衡？

Posted 2023-05-01

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了如何理解Linux下的负载均衡？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、目前网站架构一般分成负载均衡层、web层和数据库层，我其实一般还会多加一层，即文件服务器层，因为现在随着网站的PV越来越多，文件服务器的压力也越来越大；不过随着moosefs、DRDB+Heartbeat的日趋成熟，这问题也不大了。网站最前端的负载均衡层称之为Director,它起的是分摊请求的作用，最常见的就是轮询。

二、F5是通过硬件的方式来实现负载均衡，它较多应用于CDN系统，用于squid反向加速集群的负载均衡，是专业的硬件负载均衡设备，尤其适用于每秒新建连接数和并发连接数要求高的场景；LVS和nginx是通过软件的方式来实现的，但稳定性也相当强悍，在处理高并发的情况也有相当不俗的表现。

三、Nginx对网络的依赖较小，理论上只要ping得通，网页访问正常，nginx就能连得通，nginx同时还能区分内外网，如果是同时拥有内外网的节点，就相当于单机拥有了备份线路；lvs就比较依赖于网络环境，目前来看服务器在同一网段内并且lvs使用direct方式分流，效果较能得到保证。

四、目前较成熟的负载均衡高可用技术有LVS+Keepalived、Nginx+Keepalived,以前Nginx没有成熟的双机备份方案，但通过shell脚本监控是可以实现的，有兴趣的可具体参考我在51cto上的项目实施方案；另外，如果考虑Nginx的负载均衡高可用，也可以通过DNS轮询的方式来实现，有兴趣的可以参考张宴的相关文章。

五、集群是指负载均衡后面的web集群或tomcat集群等，但现在的集群意义泛指了整个系统架构，它包括了负载均衡器以及后端的应用服务器集群等，现在许多人都喜欢把Linux集群指为LVS,但我觉得严格意义上应该区分开。

六、负载均衡高可用中的高可用指的是实现负载均衡器的HA,即一台负载均衡器坏掉后另一台可以在<1s秒内切换，最常用的软件就是Keepalived和Heatbeat,成熟的生产环境下的负载均衡器方案有Lvs+Keepalived、Nginx+Keepalived.

七、LVS的优势非常多：①抗负载能力强；②工作稳定（因为有成熟的HA方案）；③无流量；④基本上能支持所有的应用，基于以上的优点，LVS拥有不少的粉丝；但世事无绝对，LVS对网络的依赖性太大了，在网络环境相对复杂的应用场景中，我不得不放弃它而选用Nginx.

八、Nginx对网络的依赖性小，而且它的正则强大而灵活，强悍的特点吸引了不少人，而且配置也是相当的方便和简约，小中型项目实施中我基本是考虑它的；当然，如果资金充足，F5是不二的选择。

九、大型网站架构中其实可以结合使用F5、LVS或Nginx,选择它们中的二种或三种全部选择；如果因为预算的原因不选择F5,那么网站最前端的指向应该是LVS,也就是DNS的指向应为lvs均衡器，lvs的优点令它非常适合做这个任务。重要的ip地址，最好交由lvs托管，比如数据库的ip、webservice服务器的ip等等，这些ip地址随着时间推移，使用面会越来越大，如果更换ip则故障会接踵而至。所以将这些重要ip交给lvs托管是最为稳妥的。

十、VIP地址是Keepalived虚拟的一个IP,它是一个对外的公开IP,也是DNS指向的IP;所以在设计网站架构时，你必须向你的IDC多申请一个对外IP。
十一、在实际项目实施过程中发现，Lvs和Nginx对https的支持都非常好，尤其是LVS,相对而言处理起来更为简便。

十二、在LVS+Keepalived及Nginx+Keepalived的故障处理中，这二者都是很方便的；如果发生了系统故障或服务器相关故障，即可将DNS指向由它们后端的某台真实web,达到短期处理故障的效果，毕竟广告网站和电子商务网站的PV就是金钱，这也是为什么要将负载均衡高可用设计于此的原因；大型的广告网站我就建议直接上CDN系统了。

十三、现在Linux集群都被大家神话了，其实这个也没多少复杂；关键看你的应用场景，哪种适用就选用哪种，Nginx和LVS、F5都不是神话，哪种方便哪种适用就选用哪种。

十四、另外关于session共享的问题，这也是一个老生长谈的问题了；Nginx可以用ip_hash机制来解决session的问题，而F5和LVS都有会话保持机制来解决这个问题，此外，还可以将session写进数据库，这也是一个解决session共享的好办法，当然这个也会加重数据库的负担，这个看系统架构师的取舍了。

十五、我现在目前维护的电子商务网站并发大约是1000左右，以前的证券资讯类网站是100左右，大型网上广告大约是3000,我感觉web层的并发越来越不是一个问题；现在由于服务器的强悍，再加上Nginx作web的高抗并发性，web层的并发并不是什么大问题；相反而言，文件服务器层和数据库层的压力是越来越大了，单NFS不可能胜任目前的工作，现在好的方案是moosefs和DRDB+Heartbeat+NFS;而我喜欢的mysql服务器，成熟的应用方案还是主从，如果压力过大，我不得不选择oracle的RAC双机方案。

十六、现在受张宴的影响，大家都去玩Nginx了（尤其是作web），其实在服务器性能优异，内存足够的情况下，Apache的抗并发能力并不弱，整个网站的瓶颈应该还是在数据库方面；我建议可以双方面了解Apache和Nginx,前端用Nginx作负载均衡，后端用Apache作web,效果也是相当的好。

十七、Heartbeat的脑裂问题没有想象中那么严重，在线上环境可以考虑使用；DRDB+Heartbeat算是成熟的应用了，建议掌握。我在相当多的场合用此组合来替代EMC共享存储，毕竟30万的价格并不是每个客户都愿意接受的。

十八、无论设计的方案是多么的成熟，还是建议要配置Nagios监控机来实时监控我们的服务器情况；邮件和短信报警都可以开启，毕竟手机可以随身携带嘛；有条件的还可以购买专门的商业扫描网站服务，它会每隔一分钟扫描你的网站，如果发现没有alive会向你的邮件发警告信息或直接电话联系。

十九、至少网站的安全性问题，我建议用硬件防火墙，比较推荐的是华赛三层防火墙+天泰web防火墙，DDOS的安全防护一定要到位；Linux服务器本身的iptables和SElinux均可关闭，当然，端口开放越少越好。参考技术A Linux下的负载均衡----这跟linux没有关系，操作系统而已。所有操作系统都可以，关键靠软硬件。
负载均衡范围很广，分为系统资源，电力供应，数据读取，网络数据传输，硬盘内存数据传输，
磁盘冗余的，群集负载均衡，问题是你希望在哪方面实现这样的功能。

其实简单点说，当资源或者传输出现重负荷，需要通过各种渠道来平衡，使各种重负荷从点到面。参考技术B 我空间里面有本回答被提问者采纳参考技术C WDAOIJDOISFDSF

大型网站架构系列：负载均衡详解

本文是负载均衡详解的第四篇，主要介绍了LVS的三种请求转发模式和八种负载均衡算法，以及Haproxy的特点和负载均衡算法。具体参考文章，详见最后的链接。

三、LVS负载均衡

LVS是一个开源的软件，由毕业于国防科技大学的章文嵩博士于1998年5月创立，用来实现Linux平台下的简单负载均衡。LVS是Linux Virtual Server的缩写，意思是Linux虚拟服务器。

基于IP层的负载均衡调度技术，它在操作系统核心层上，将来自IP层的TCP/UDP请求均衡地转移到不同的服务器，从而将一组服务器构成一个高性能、高可用的虚拟服务器。

操作系统：Liunx

开发语言：C

并发性能：默认4096，可以修改但需要重新编译。

3.1.功能

LVS的主要功能是实现IP层（网络层）负载均衡，有NAT,TUN,DR三种请求转发模式。

3.1.1LVS/NAT方式的负载均衡集群

NAT是指Network Address Translation，它的转发流程是：Director机器收到外界请求，改写数据包的目标地址，按相应的调度算法将其发送到相应Real Server上，Real Server处理完该请求后，将结果数据包返回到其默认网关，即Director机器上，Director机器再改写数据包的源地址，最后将其返回给外界。这样就完成一次负载调度。

构架一个最简单的LVS/NAT方式的负载均衡集群Real Server可以是任何的操作系统，而且无需做任何特殊的设定，惟一要做的就是将其默认网关指向Director机器。Real Server可以使用局域网的内部IP(192.168.0.0/24)。Director要有两块网卡，一块网卡绑定一个外部IP地址 (10.0.0.1)，另一块网卡绑定局域网的内部IP(192.168.0.254)，作为Real Server的默认网关。

LVS/NAT方式实现起来最为简单，而且Real Server使用的是内部IP，可以节省Real IP的开销。但因为执行NAT需要重写流经Director的数据包，在速度上有一定延迟；

当用户的请求非常短，而服务器的回应非常大的情况下，会对Director形成很大压力，成为新的瓶颈，从而使整个系统的性能受到限制。

3.1.2LVS/TUN方式的负载均衡集群

TUN是指IP Tunneling，它的转发流程是：Director机器收到外界请求，按相应的调度算法,通过IP隧道发送到相应Real Server，Real Server处理完该请求后，将结果数据包直接返回给客户。至此完成一次负载调度。

最简单的LVS/TUN方式的负载均衡集群架构使用IP Tunneling技术，在Director机器和Real Server机器之间架设一个IP Tunnel，通过IP Tunnel将负载分配到Real Server机器上。Director和Real Server之间的关系比较松散，可以是在同一个网络中，也可以是在不同的网络中，只要两者能够通过IP Tunnel相连就行。收到负载分配的Real Server机器处理完后会直接将反馈数据送回给客户，而不必通过Director机器。实际应用中，服务器必须拥有正式的IP地址用于与客户机直接通信，并且所有服务器必须支持IP隧道协议。

该方式中Director将客户请求分配到不同的Real Server，Real Server处理请求后直接回应给用户，这样Director就只处理客户机与服务器的一半连接，极大地提高了Director的调度处理能力，使集群系统能容纳更多的节点数。另外TUN方式中的Real Server可以在任何LAN或WAN上运行，这样可以构筑跨地域的集群，其应对灾难的能力也更强，但是服务器需要为IP封装付出一定的资源开销，而且后端的Real Server必须是支持IP Tunneling的操作系统。

3.3.3LVS/TUN方式的负载均衡集群

DR是指Direct Routing，它的转发流程是：Director机器收到外界请求，按相应的调度算法将其直接发送到相应Real Server，Real Server处理完该请求后，将结果数据包直接返回给客户，完成一次负载调度。

构架一个最简单的LVS/DR方式的负载均衡集群Real Server和Director都在同一个物理网段中，Director的网卡IP是192.168.0.253，再绑定另一个IP： 192.168.0.254作为对外界的virtual IP，外界客户通过该IP来访问整个集群系统。Real Server在lo上绑定IP：192.168.0.254，同时加入相应的路由。

LVS/DR方式与前面的LVS/TUN方式有些类似，前台的Director机器也是只需要接收和调度外界的请求，而不需要负责返回这些请求的反馈结果，所以能够负载更多的Real Server，提高Director的调度处理能力，使集群系统容纳更多的Real Server。但LVS/DR需要改写请求报文的MAC地址，所以所有服务器必须在同一物理网段内。

3.3架构

LVS架设的服务器集群系统有三个部分组成：最前端的负载均衡层（Loader Balancer），中间的服务器群组层，用Server Array表示，最底层的数据共享存储层，用Shared Storage表示。在用户看来所有的应用都是透明的，用户只是在使用一个虚拟服务器提供的高性能服务。

LVS的体系架构如图：

技术分享

LVS的各个层次的详细介绍：

Load Balancer层：位于整个集群系统的最前端，有一台或者多台负载调度器（Director Server）组成，LVS模块就安装在Director Server上，而Director的主要作用类似于一个路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Server Array层的应用服务器（Real Server）上。同时，在Director Server上还要安装对Real Server服务的监控模块Ldirectord，此模块用于监测各个Real Server服务的健康状况。在Real Server不可用时把它从LVS路由表中剔除，恢复时重新加入。

Server Array层：由一组实际运行应用服务的机器组成，Real Server可以是WEB服务器、MAIL服务器、FTP服务器、DNS服务器、视频服务器中的一个或者多个，每个Real Server之间通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际的应用中，Director Server也可以同时兼任Real Server的角色。

Shared Storage层：是为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域，在物理上，一般有磁盘阵列设备组成，为了提供内容的一致性，一般可以通过NFS网络文件系统共享数据，但是NFS在繁忙的业务系统中，性能并不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red hat的GFS文件系统，oracle提供的OCFS2文件系统等。

从整个LVS结构可以看出，Director Server是整个LVS的核心，目前，用于Director Server的操作系统只能是Linux和FreeBSD，linux2.6内核不用任何设置就可以支持LVS功能，而FreeBSD作为 Director Server的应用还不是很多，性能也不是很好。对于Real Server，几乎可以是所有的系统平台，Linux、windows、Solaris、AIX、BSD系列都能很好的支持。

3.4均衡策略

LVS默认支持八种负载均衡策略，简述如下：

3.4.1.轮询调度（Round Robin）

调度器通过“轮询”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。

3.4.2.加权轮询（Weighted Round Robin）

调度器通过“加权轮询”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器能处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

3.4.3.最少链接（Least Connections）

调度器通过“最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用“最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。

3.4.4.加权最少链接（Weighted Least Connections）

在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

3.4.5.基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）

“基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接” 的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。

3.4.6.带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）

“带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按“最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器；若服务器超载，则按“最小连接”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。

3.4.7.目标地址散列（Destination Hashing）

“目标地址散列”调度算法根据请求的目标IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

3.4.8.源地址散列（Source Hashing）

“源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键（Hash Key）从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

除具备以上负载均衡算法外，还可以自定义均衡策略。

3.5场景

一般作为入口负载均衡或内部负载均衡，结合反向代理服务器使用。相关架构可参考Ngnix场景架构。

4、HaProxy负载均衡

HAProxy也是使用较多的一款负载均衡软件。HAProxy提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP应用的代理，支持虚拟主机，是免费、快速并且可靠的一种解决方案。特别适用于那些负载特大的web站点。运行模式使得它可以很简单安全的整合到当前的架构中，同时可以保护你的web服务器不被暴露到网络上。