分布式系统常见负载均衡算法

Posted 2021-04-15 后端初学者

负载均衡这个话题比较大，一篇估计说不完，今天先来第一篇。

一、负载均衡介绍

【百度百科】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。

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。

1.负载均衡分类

软件负载均衡：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，

硬件负载均衡：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。

2.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。

3.均衡技术

1、基于DNS的负载均衡

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）

二、负载均衡（调度）算法

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。

1.轮循(Round Robin)

轮询算法是最简单的一种负载均衡算法。它的原理是把来自用户的请求轮流分配给内部的服务器：从服务器1开始，直到服务器N，然后重新开始循环。算法的优点是其简洁性，它无需记录当前所有连接的状态，所以它是一种无状态调度；轮询算法假设所有服务器的处理性能都相同，不关心每台服务器的当前连接数和响应速度。当请求服务间隔时间变化比较大时，轮询算法容易导致服务器间的负载不平衡。所以此种均衡算法适合于服务器组中的所有服务器都有相同的软硬件配置并且平均服务请求相对均衡的情况。

2.加权轮循(Weighted Round Robin)

这种算法解决了简单轮循调度算法的缺点：传入的请求按顺序被分配到集群中服务器，但是会考虑提前为每台服务器分配的权重。管理员只是简单的通过服务器的处理能力来定义各台服务器的权重。例如，能力最强的服务器A给的权重是100，同时能力最低的服务器给的权重是50。这意味着在服务器B接收到第一个请求之前前，服务器A会连续的接受到2个请求，以此类推。

3.最少连接数(Least Connection)

以上两种方法都没有考虑的是系统不能识别在给定的时间里保持了多少连接。因此可能发生，服务器B服务器收到的连接比服务器A少但是它已经超载，因为服务器B上的用户打开连接持续的时间更长。这就是说连接数即服务器的负载是累加的。这种潜在的问题可以通过"最少连接数"算法来避免：传入的请求是根据每台服务器当前所打开的连接数来分配的。

最小连接数算法比较灵活和智能，由于后端服务器的配置不尽相同，对于请求的处理有快有慢，它正是根据后端服务器当前的连接情况，动态地选取其中当前积压连接数最小的一台服务器来处理当前请求，尽可能地提高后端服务器的利用效率，将负载合理地分流到每一台机器。由于最小连接数涉及服务器连接数的汇总和感知，设计与实现比较繁琐。

4.最少连接数慢启动时间(Least Connection Slow Start Time)

对最少连接数和带权重的最小连接数调度方法来说，当一个服务器刚加入线上环境是，可以为其配置一个时间段，在这段时间内连接数是有限制的而且是缓慢增加的。这为服务器提供了一个'过渡时间'以保证这个服务器不会因为刚启动后因为分配的连接数过多而超载。这个值在L7配置界面设置。

5.加权最少连接(Weighted Least Connection)

如果服务器的资源容量各不相同，那么"加权最少连接"方法更合适：由管理员根据服务器情况定制的权重所决定的活跃连接数一般提供了一种对服务器非常平衡的利用，因为他它借鉴了最少连接和权重两者的优势。通常，这是一个非常公平的分配方式，因为它使用了连接数和服务器权重比例;集群中比例最低的服务器自动接收下一个请求。但是请注意，在低流量情况中使用这种方法时，请参考"最小连接数"方法中的注意事项。

6.加权响应(Weighted Response)

流量的调度是通过加权轮循方式。加权轮循中所使用的权重是根据服务器有效性检测的响应时间来计算。每个有效性检测都会被计时，用来标记它响应成功花了多长时间。但是需要注意的是，这种方式假定服务器心跳检测是基于机器的快慢，但是这种假设也许不总是能够成立。所有服务器在虚拟服务上的响应时间的总和加在一起，通过这个值来计算单个服务物理服务器的权重;这个权重值大约每15秒计算一次。

7.源IP哈希(Source IP Hash)

这种方式通过生成请求源IP的哈希值，并通过这个哈希值来找到正确的真实服务器。这意味着对于同一主机来说他对应的服务器总是相同。使用这种方式，你不需要保存任何源IP。但是需要注意，这种方式可能导致服务器负载不平衡。

8.基于代理的自适应负载均衡(Agent Based Adaptive Balancing)

除了上述方法之外，负载主机包含一个自适用逻辑用来定时监测服务器状态和该服务器的权重。对于非常强大的"基于代理的自适应负载均衡"方法来说，负载主机以这种方式来定时检测所有服务器负载情况：每台服务器都必须提供一个包含文件，这个文件包含一个0~99的数字用来标明改服务器的实际负载情况(0=空前，99=超载，101=失败，102=管理员禁用)，而服务器同构http get方法来获取这个文件;同时对集群中服务器来说，以二进制文件形式提供自身负载情况也是该服务器工作之一，然而，并没有限制服务器如何计算自身的负载情况。根据服务器整体负载情况，有两种策略可以选择：在常规的操作中，调度算法通过收集的服务器负载值和分配给该服务器的连接数的比例计算出一个权重比例。因此，如果一个服务器负载过大，权重会通过系统透明的作重新调整。和加权轮循调度方法一样，不正确的分配可以被记录下来使得可以有效的为不同服务器分配不同的权重。然而，在流量非常低的环境下，服务器报上来的负载值将不能建立一个有代表性的样本;那么基于这些值来分配负载的话将导致失控以及指令震荡。因此，在这种情况下更合理的做法是基于静态的权重比来计算负载分配。当所有服务器的负载低于管理员定义的下限时，负载主机就会自动切换为加权轮循方式来分配请求;如果负载大于管理员定义的下限，那么负载主机又会切换回自适应方式。

9.固定权重(Fixed Weighted)

最高权重只有在其他服务器的权重值都很低时才使用。然而，如果最高权重的服务器下降，则下一个最高优先级的服务器将为客户端服务。这种方式中每个真实服务器的权重需要基于服务器优先级来配置。

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参考资料：

1. https://blog.csdn.net/okiwilldoit/article/details/81738782

2. https://blog.csdn.net/tjsahwj/article/details/82884410

3. https://blog.csdn.net/youanyyou/article/details/78990133

4. https://blog.csdn.net/weixin_40470303/article/details/80541639

5. https://blog.csdn.net/weixin_34258782/article/details/90389607