负载均衡基本介绍

Posted 2023-05-01

参考技术A

【负载均衡架构部分转自】 58沈剑 [架构师之路]( https://mp.weixin.qq.com/s

负载均衡： 是分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，将请求/数据【均匀】分摊到多个操作单元上执行，负载均衡的关键在于【均匀】
常见的负载均衡方案：

【客户端层】到【反向代理层】的负载均衡，是通过“DNS轮询”实现的：DNS-server对于一个域名配置了多个解析ip，每次DNS解析请求来访问DNS-server，会轮询返回这些ip，保证每个ip的解析概率是相同的。这些ip就是nginx的外网ip，以做到每台nginx的请求分配也是均衡的。

【反向代理层】到【站点层】的负载均衡，是通过“nginx”实现的。通过修改nginx.conf，可以实现多种负载均衡策略：

【站点层】到【服务层】的负载均衡，是通过“服务连接池”实现的。
上游连接池会建立与下游服务多个连接，每次请求会“随机”选取连接来访问下游服务。（也即是rpc框架实现的）

在数据量很大的情况下，由于数据层（db，cache）涉及数据的水平切分，所以数据层的负载均衡更为复杂一些，它分为“数据的均衡”，与“请求的均衡”。
数据的均衡是指 ：水平切分后的每个服务（db，cache），数据量是差不多的。
请求的均衡是指 ：水平切分后的每个服务（db，cache），请求量是差不多的。
（1）按照range水平切分

（2）按照id哈希水平切分

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常见的负载均衡系统包括 3 种：DNS 负载均衡、硬件负载均衡和软件负载均衡。

硬件负载均衡是通过单独的硬件设备来实现负载均衡功能，这类设备和路由器、交换机类似，可以理解为一个用于负载均衡的基础网络设备。比如业界非常出名的F5

缺点：
（1）价格实在非常昂贵
（2）扩展性不强

软件负载均衡通过负载均衡软件来实现负载均衡功能，常见的有 Nginx 和 LVS。

nginx和F5： https://blog.csdn.net/chabale/article/details/8956717
nginx和lvs比较： https://blog.51cto.com/hzcto/2086691
lvs： https://www.cnblogs.com/liwei0526vip/p/6370103.html
ELB： https://aws.amazon.com/cn/elasticloadbalancing/
SLB： https://help.aliyun.com/product/27537.html

题目：日活跃用户 1000 万的论坛的负载均衡集群，该如何设计呢？
（1）评估流量
1000万DAU，换算成秒级（一天12小时），平均约等于232。
考虑每个用户操作次数，假定10，换算成平均QPS=2320。
考虑峰值是均值倍数，假定5，换算成峰值QPS=11600。
考虑静态资源、图片资源、服务拆分等，流量放大效应，假定10，QPS 10=116000。
（2）容量规划
考虑高可用、异地多活，QPS 2=232000。
考虑未来半年增长，QPS*1.5=348000。
（3）方案设计
可以用三级导流：
第一级，DNS，确定机房，以目前量级，可以不考虑。
第二级，确定集群，扩展优先，则选Haproxy/LVS，稳定优先则选F5。
第三级，Nginx+KeepAlived，确定实例。
（4）架构图

接入层技术：

缺点：

优点：

缺点：

优点：

缺点：

缺点：

nginx毕竟是软件，性能比tomcat好，但总有个上限，超出了上限，还是扛不住。lvs就不一样了，它实施在操作系统层面；f5的性能又更好了，它实施在硬件层面；它们性能比nginx好很多，例如每秒可以抗10w，这样可以利用他们来扩容。

99.9999%的公司到这一步基本就能解决接入层高可用、扩展性、负载均衡的问题。 假设还扛不住的话，就要考虑使用硬件设备f5等。如果还是扛不住，那么只有DNS来扩容了。

水平扩展，才是解决性能问题的根本方案，能够通过加机器扩充性能的方案才具备最好的扩展性。 facebook，google，baidu的PV是不是超过80亿呢，它们的域名只对应一个ip么，终点又是起点，还是得通过DNS轮询来进行扩容：

比如购买了阿里云或者aws。那么基本会使用云厂商提供的负载均衡中间件，比如aws（elb）、阿里云（slb）。这个负载均衡软件可以认为是 lvs+keepalived的高可用负载均衡服务

后端的service有可能部署在硬件条件不同的服务器上：
1）如果对标最低配的服务器“均匀”分摊负载，高配的服务器的利用率不足；
2）如果对标最高配的服务器“均匀”分摊负载，低配的服务器可能会扛不住；

（1）通过“静态权重”标识service的处理能力

优点： 简单，能够快速的实现异构服务器的负载均衡。
缺点： 权重是固定的，无法自适应动态调整，而很多时候，服务器的处理能力是很难用一个固定的数值量化。

（2）通过“动态权重”标识service的处理能力
提问：通过什么来标识一个service的处理能力呢？
回答：其实一个service能不能处理得过来，能不能响应得过来，应该由调用方说了算。调用服务，快速处理了，处理能力跟得上；调用服务，处理超时了，处理能力很有可能跟不上了。

动态权重设计：

例如：

（1）设置一个阈值，超过阈值直接丢弃

（2）借助“动态权重”来实施过载保护
案例策略：

1）service的负载均衡、故障转移、超时处理通常是RPC-client连接池层面来实施的
2）异构服务器负载均衡，最简单的方式是静态权重法，缺点是无法自适应动态调整
3）动态权重法，可以动态的根据service的处理能力来分配负载，需要有连接池层面的微小改动
4）过载保护，是在负载过高时，service为了保护自己，保证一定处理能力的一种自救方法
5）动态权重法，还可以用做service的过载保护

Linux负载均衡之lvs基本介绍

  

 说到web集群，我们不能不说到lvs，众所周知lvs是一个很优秀的负载集群开源软件，相对于一些硬件负载，lvs有着很多出色的性能，比如廉价，稳定，支持大多数情况下的高并发应用场景，下面来给大家讲讲lvs的起源以及基本介绍

一、LVS概念

LVS是Linux Virtual Server的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的官方网站是http://www.linuxvirtualserver.org/.现在LVS已经是Linux内核标准的一部分。

使用LVS可以达到的技术目标是：通过LVS达到的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能高可用的Linux服务器群集，它具有良好的可靠性，可拓展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。

LVS从1998年开始，发展到现在已经是一个比较成熟的项目了。利用LVS技术可以实现高性能，高可压缩的网路服务，例如WWW服务，FTP服务，MAIL服务等。比较著名的就是www.linux.com以及www.real.com.

二、LVS的体系架构

使 用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。如下所示为LVS的体系架构如图：

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。

三、  LVS集群的特点

3.1 IP负载均衡与负载调度算法

1．IP负载均衡技术

负载均衡技术有很多实现方案，有基于DNS域名轮流解析的方法、有基于客户端调度访问的方法、有基于应用层系统负载的调度方法，还有基于IP地址的调度方法，在这些负载调度算法中，执行效率最高的是IP负载均衡技术。

LVS 的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的，IPVS是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。

当用户的请求到达负载调度器后，调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点，而Real Server节点如何返回数据给用户，是IPVS实现的重点技术，IPVS实现负载均衡机制有三种，分别是NAT、TUN和DR，详述如下： 

VS/NAT： 即（Virtual Server via Network Address Translation）
也就是网络地址翻译技术实现虚拟服务器，当用户请求到达调度器时，调度器将请求报文的目标地址（即虚拟IP地址）改写成选定的Real Server地址，同时报文的目标端口也改成选定的Real Server的相应端口，最后将报文请求发送到选定的Real Server。在服务器端得到数据后，Real Server返回数据给用户时，需要再次经过负载调度器将报文的源地址和源端口改成虚拟IP地址和相应端口，然后把数据发送给用户，完成整个负载调度过程。可以看出，在NAT方式下，用户请求和响应报文都必须经过Director Server地址重写，当用户请求越来越多时，调度器的处理能力将称为瓶颈。

VS/TUN ：即（Virtual Server via IP Tunneling） 
也就是IP隧道技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT方式一样，只是它的报文转发方法不同，VS/TUN方式中，调度器采用IP隧道技术将用户请求转发到某个Real Server，而这个Real Server将直接响应用户的请求，不再经过前端调度器，此外，对Real Server的地域位置没有要求，可以和Director Server位于同一个网段，也可以是独立的一个网络。因此，在TUN方式中，调度器将只处理用户的报文请求，集群系统的吞吐量大大提高。

VS/DR： 即（Virtual Server via Direct Routing） 
也就是用直接路由技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT和VS/TUN中的一样，但它的报文转发方法又有不同，VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能最高最好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。

2．负载调度算法

上面我们谈到，负载调度器是根据各 个服务器的负载情况，动态地选择一台Real Server响应用户请求，那么动态选择是如何实现呢，其实也就是我们这里要说的负载调度算法，根据不同的网络服务需求和服务器配置，IPVS实现了如下 八种负载调度算法，这里我们详细讲述最常用的四种调度算法，剩余的四种调度算法请参考其它资料。

轮叫调度（Round Robin）

“轮叫”调度也叫1:1调度，调度器通过“轮叫”调度算法将外部用户请求按顺序1:1的分配到集群中的每个Real Server上，这种算法平等地对待每一台Real Server，而不管服务器上实际的负载状况和连接状态。 

加权轮叫调度（Weighted Round Robin） 

“加 权轮叫”调度算法是根据Real Server的不同处理能力来调度访问请求。可以对每台Real Server设置不同的调度权值，对于性能相对较好的Real Server可以设置较高的权值，而对于处理能力较弱的Real Server，可以设置较低的权值，这样保证了处理能力强的服务器处理更多的访问流量。充分合理的利用了服务器资源。同时，调度器还可以自动查询Real Server的负载情况，并动态地调整其权值。 

最少链接调度（Least Connections） 

“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。 

加权最少链接调度（Weighted Least Connections） 

“加权最少链接调度”是“最少连接调度”的超集，每个服务节点可以用相应的权值表示其处理能力，而系统管理员可以动态的设置相应的权值，缺省权值为1，加权最小连接调度在分配新连接请求时尽可能使服务节点的已建立连接数和其权值成正比。

其它四种调度算法分别为：基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）、带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）、目标地址散列（Destination Hashing）和源地址散列（Source Hashing），对于这四种调度算法的含义，本文不再讲述，如果想深入了解这其余四种调度策略的话，可以登陆LVS中文站点 zh.linuxvirtualserver.org，查阅更详细的信息。

3.2 高可用性

LVS是一个基于内核级别的应用 软件，因此具有很高的处理性能，用LVS构架的负载均衡集群系统具有优秀的处理能力，每个服务节点的故障不会影响整个系统的正常使用，同时又实现负载的合 理均衡，使应用具有超高负荷的服务能力，可支持上百万个并发连接请求。如配置百兆网卡，采用VS/TUN或VS/DR调度技术，整个集群系统的吞吐量可高 达1Gbits/s；如配置千兆网卡，则系统的最大吞吐量可接近10Gbits/s。

3.3 高可靠性

LVS负载均衡集群软 件已经在企业、学校等行业得到了很好的普及应用，国内外很多大型的、关键性的web站点也都采用了LVS集群软件，所以它的可靠性在实践中得到了很好的证 实。有很多以LVS做的负载均衡系统，运行很长时间，从未做过重新启动。这些都说明了LVS的高稳定性和高可靠性。

3.4 适用环境

LVS 对前端Director Server目前仅支持Linux和FreeBSD系统，但是支持大多数的TCP和UDP协议，支持TCP协议的应用有：HTTP，HTTPS，FTP，SMTP，，POP3，IMAP4，PROXY，LDAP，SSMTP等等。
支持UDP协议的应用有：DNS，NTP，ICP，视频、音频流播放协议等。
LVS对Real Server的操作系统没有任何限制，Real Server可运行在任何支持TCP/IP的操作系统上，包括Linux，各种Unix（如FreeBSD、Sun Solaris、HP Unix等），Mac/OS和Windows等。

3.5 开源软件 

LVS集群软件是按GPL（GNU Public License）许可证发行的自由软件，因此，使用者可以得到软件的源代码，并且可以根据自己的需要进行各种修改，但是修改必须是以GPL方式发行。

本文出自 “菜鸟的成长记” 博客，请务必保留此出处http://blief.blog.51cto.com/6170059/1742694