高性能负载均衡之分类架构

Posted 2021-04-15 ChallengerTech

今天跟大家分享一下关于高性能负载均衡的分类架构相关的知识。

当然了，首先要强调一点，并不是所有的项目一开始就要求高性能的。

前面我也提到过。如果不是太清楚的可以参考这篇文章:

架构设计之六个复杂度来源

下面进入正题，说说高性能负载均衡之分类架构。

单服务器无论如何优化，无论采用多好的硬件，总会有一个性能天花板，单服务器的性能无法满足业务需求时，就需要设计高性能集群来提升系统整体的处理性能。

高性能集群的本质很简单，通过增加更多的服务器来提升系统整体的计算能力。由于计算机本身存在一个特点:同样的输入数据和逻辑，无论在哪台服务器上执行，都应该得到相同的输出。因此高性能集群设计的复杂度主要体现在任务分配上，如何保障任务的正常分配人，如何保障用户访问时不会因为因为某种原因出现错误影响服务，这就需要设计合理的任务分配策略，将计算任务分配到多台服务器上执行。

高性能集群的复杂性主要体现在需要增加一个任务分配器，以及为任务选择一个合适的任务分配算法。

对于任务分配器，现在更流行的叫法是“负载均衡器”。

但这个名称有一定的误导性，个人觉得任务分配器更形象具体。

之所以觉得叫"负载均衡器"有一定的误导性，是因为任务分配不仅仅只是考虑计算单元的负载均衡，不同的任务分配算法目标是不一样的，有的基于负载考虑，有的基于性能(吞吐量、响应时间)考虑，有的基于业务考虑。考虑“负载均衡”已经成为了事实上的标准术语，这里我也用“负载均衡”来代替“任务分配”，但请时刻记住负载均衡不只是为了计算单元的负载达到的均衡状态。

一、负载均衡分类架构

常用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。

负载均衡的分类架构我在前面一篇文章中说过，那篇文章叫做谈谈CDN，当然了，那个着重于CDN，对于负载均衡仅仅只是一个简单讲解，今天的这篇文章从某个角度看是对前面的补充和完善。

1.DNS负载均衡

DNS是最简单也是最常见的负载均衡方式，一般用来实现地理级别的均衡。

比如，北方的用户访问北京的机房，南方的用户访问深圳的机房。

DNS负载均衡也可以叫做链路负载均衡，示意图如下:

DNS负载均衡实现简单、成本低，但也存在粒度太粗、负载均衡算法少等缺点。仔细分析一下优缺点。

其优点有:

(1)简单、成本低:负载均衡工作交给DNS服务器处理，无需自己开发或者维护负载均衡设备；

其缺点有:

(1)更新不及时:DNS缓存的时间比较长，修改DNS配置后，由于缓存的原因，还是有很多用户会继续访问修改前的IP，这样的访问会失败，达不到负载均衡的目的，并且也会影响用户正常使用业务;

(2)扩展性差:DNS负载均衡的控制权在域名商那里，无法根据业务特点针对其做更多的定制化功能和扩展特性;

(3)分配策略比较简单:

a.DNS负载均衡支持算法少；

b.不能区分服务器的差异(不能根据系统与服务的状态来判断负载);

c.也无法感知后端服务器的状态;

针对DNS负载均衡的一些缺点，对于延时和故障敏感的业务，有一些公司自己实现了HTTP-DNS的功能，即使用HTTP协议实现一个私有的DNS系统。这样的方案和通用的DNS优缺点正好相反。

2.硬件负载均衡

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。

目前业界典型的硬件负载均衡设备有两款:F5和A10。这类设备性能强劲、功能强大，但价格都不便宜，一般只有“土豪”公司才会考虑使用此类设备。普通业务量级的公司一是负担不起，而是业务量没达到，没有必要为此浪费。

硬件负载均衡，如图所示:

硬件负载均衡也有其优缺点，分析如下:

其优点:

(1)功能强大:全面支持各层级的负载均衡，支持全面的负载均衡算法，支持全局负载均衡；

(2)性能强大，对比一下，软件负载均衡支持到10万级并发已经很厉害了，硬件负载均衡可以支持100万以上的并发；

(3)稳定性高:商用硬件负载均衡，经过良好的严格测试，经过大规模使用，稳定性高；

(4)支持安全防护:硬件均衡设备除具备负载均衡功能外，还具备防火墙、防DDOS攻击等安全功能；

其缺点:

(1)价格安昂贵:最普通的一台F5就是一台“马6”，好一点的就是“Q7”；

(2)扩展能力差:硬件设备，可以根据业务进行配置，但无法进行扩展和定制；

3.软件负载均衡

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，其中Nginx是软件的7层负载均衡，LVS是Linux内核的4层负载均衡。4层和7层的区别就在于协议和灵活性，Nginx支持HTTP、E-mail协议；而LVS是4层负载均衡，和协议无关，几乎所有应用都可以做，例如聊天、数据库等。

软件和硬件的最主要区别就在于性能，硬件负载均衡性能远远高于软件负载均衡性能。Nginx的性能是万级，一般的Linux服务器上装一个Nginx大概能到5万/秒；LVS的性能是十万级，据说可达到80万/秒；而F5性能是百万级，从200万/秒到800万/秒都有。

关于F5相关的信息，大家通过这个链接对F5有一个大概的了解:

http://www.bjdj-info.com/index.php/chandetail/chandetail/datcid/163/flag1/180.html

当然了，除了这个之外，业界也有不少对Nginx这样的高性能Web服务器进行改造以使其达到期望值。

关于软件负载均衡图，如下所示:

软件负载均衡的优缺点如下。

其优点:

(1)简单:无论是部署还是维护都比较简单；

(2)便宜:只要买个Linux服务器，装上软件即可；

(3)灵活:4层和7层负载均衡可以根据业务进行选择，也可以根据业务进行比较方便的扩展，例如可以通过Nginx的插件来实现业务的定制化功能；

其缺点(这个缺点主要是和硬件负载均衡进行对比，当然了，并不是说软件负载均衡没法用):

(1)性能一般:一个Nginx大约支撑5万并发；

(2)功能没有硬件负载均衡那么强大；

(3)一般不具备防火墙和防DDOS功能等安全功能；

二、如何在实际中运用

上述三种负载均衡的分类架构，各有自己的所长，其实可以遵循一个组合原则来使用它们。

比如，DNS负载均衡用于实现地理级别的负载均衡；硬件负载均衡可以实现集群级别的负载均衡；软件负载均衡用于实现机器级别的负载均衡。

以我公司目前来看，主要采用的还是软件负载均衡，仅仅只是靠着阿里云的那几台机器来支撑着，当然了这对于目前而言已经足够了。

其实实际中运用，还是取决于业务吧，想博客论坛这种，如果你的博客论坛做的很不错每天几十万访问量，如果不做上述的架构规划，会影响用户的使用体验，从而降低用户粘性。

如果你的项目仅仅只是一个适合某个特定领域，使用人群每天最多也就100人，个人觉得保险起见两台机器就足够的。

小结:

本文着重将负载均衡的架构分类，有示例也有图，同时也有理论方面的。之所以想到写了这个也是看了李运华先生的《从0开始学架构》。

另外我觉得看这个专栏的方式，最好还是挑自己喜欢感兴趣的看，然后做点笔记顺便根据它里面的问题做个研究。我觉得这样一来可以提高自己的兴趣，二来动了脑子可以将知识转化为身体的一部分。本人还是挺信奉一句名言，“知识就是力量”。

希望这篇文章能够给读者们带来帮助，谢谢一直关注我的朋友们。

参考资料:

李运华专栏《从0开始学架构》

许令波《深入分析JavaWeb技术内幕》

说说CDN:

https://www.cnblogs.com/youcong/p/9607448.html

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