如何架设高性能负载均衡

Posted 2021-01-13 dong-blog

一、什么是负载均衡？

　　早期的互联网应用，由于用户流量比较小，业务逻辑也比较简单，往往一个单服务器就能满足负载需求。随着现在互联网的流量越来越大，稍微好一点的系统，访问量就非常大了，并且系统功能也越来越复杂，那么单台服务器就算将性能优化得再好，也不能支撑这么大用户量的访问压力了，这个时候就需要使用多台机器，设计高性能的集群来应对。

　　那么，多台服务器是如何去均衡流量、如何组成高性能的集群的呢？此时就需要请出 「负载均衡器」 入场了。

　　负载均衡（Load Balancer）是指把用户访问的流量，通过「负载均衡器」，根据某种转发的策略，均匀的分发到后端多台服务器上，后端的服务器可以独立的响应和处理请求，从而实现分散负载的效果。负载均衡技术提高了系统的服务能力，增强了应用的可用性。

 

二、负载均衡方案有几种？

　　目前市面上最常见的负载均衡技术方案主要有三种：

• 基于DNS负载均衡

• 基于硬件负载均衡

• 基于软件负载均衡

　　三种方案各有优劣，DNS负载均衡可以实现在地域上的流量均衡，硬件负载均衡主要用于大型服务器集群中的负载需求，而软件负载均衡大多是基于机器层面的流量均衡。在实际场景中，这三种是可以组合在一起使用。下面来详细讲讲：

 

1、基于DNS负载均衡

 

　　基于DNS来做负载均衡其实是一种最简单的实现方案，通过在DNS服务器上做一个简单配置即可。

　　其原理就是当用户访问域名的时候，会先向DNS服务器去解析域名对应的IP地址，这个时候我们可以让DNS服务器根据不同地理位置的用户返回不同的IP。比如南方的用户就返回我们在广州业务服务器的IP，北方的用户来访问的话，我就返回北京业务服务器所在的IP。

在这个模式下，用户就相当于实现了按照「就近原则」将请求分流了，既减轻了单个集群的负载压力，也提升了用户的访问速度。

　　使用DNS做负载均衡的方案，天然的优势就是配置简单，实现成本非常低，无需额外的开发和维护工作。

　　但是也有一个明显的缺点是：当配置修改后，生效不及时。这个是由于DNS的特性导致的，DNS一般会有多级缓存，所以当我们修改了DNS配置之后，由于缓存的原因，会导致IP变更不及时，从而影响负载均衡的效果。

　　另外，使用DNS做负载均衡的话，大多是基于地域或者干脆直接做IP轮询，没有更高级的路由策略，所以这也是DNS方案的局限所在。

2、基于硬件负载均衡

　　硬件的负载均衡那就比较牛逼了，比如大名鼎鼎的 F5 Network Big-IP，也就是我们常说的 F5，它是一个网络设备，你可以简单的理解成类似于网络交换机的东西，完全通过硬件来抗压力，性能是非常的好，每秒能处理的请求数达到百万级，即 几百万/秒 的负载，当然价格也就非常非常贵了，十几万到上百万人民币都有。

　　因为这类设备一般用在大型互联网公司的流量入口最前端，以及政府、国企等不缺钱企业会去使用。一般的中小公司是不舍得用的。

　　采用 F5 这类硬件做负载均衡的话，主要就是省心省事，买一台就搞定，性能强大，一般的业务不在话下。而且在负载均衡的算法方面还支持很多灵活的策略，同时还具有一些防火墙等安全功能。但是缺点也很明显，一个字：贵。

3、基于软件负载均衡

 

　　软件负载均衡是指使用软件的方式来分发和均衡流量。软件负载均衡，分为7层协议 和 4层协议。

　　网络协议有七层，基于第四层传输层来做流量分发的方案称为4层负载均衡，例如 LVS，而基于第七层应用层来做流量分发的称为7层负载均衡，例如 nginx。这两种在性能和灵活性上是有些区别的。

　　基于4层的负载均衡性能要高一些，一般能达到 几十万/秒 的处理量，而基于7层的负载均衡处理量一般只在 几万/秒 。

　　基于软件的负载均衡的特点也很明显，便宜。在正常的服务器上部署即可，无需额外采购，就是投入一点技术去优化优化即可，因此这种方式是互联网公司中用得最多的一种方式。

三、常用的均衡算法有哪些？

　　在实际方案应用中，一般可以使用哪些均衡算法？

• 轮询策略

• 负载度策略

• 响应策略

• 哈希策略

分别介绍一下这几种均衡算法/策略的特点：

1. 轮询策略 

　　轮询策略其实很好理解，就是当用户请求来了之后，「负载均衡器」将请求轮流的转发到后端不同的业务服务器上。这个策略在DNS方案中用的比较多，无需关注后端服务的状态，只药有请求，就往后端轮流转发，非常的简单、实用。

　　在实际应用中，轮询也会有多种方式，有按顺序轮询的、有随机轮询的、还有按照权重来轮询的。前两种比较好理解，第三种按照权重来轮询，是指给每台后端服务设定一个权重值，比如性能高的服务器权重高一些，性能低的服务器给的权重低一些，这样设置的话，分配流量的时候，给权重高的更多流量，可以充分的发挥出后端机器的性能。

2. 负载度策略

　　负载度策略是指当「负载均衡器」往后端转发流量的时候，会先去评估后端每台服务器的负载压力情况，对于压力比较大的后端服务器转发的请求就少一些，对于压力比较小的后端服务器可以多转发一些请求给它。

　　这种方式就充分的结合了后端服务器的运行状态，来动态的分配流量了，比轮询的方式更为科学一些。

但是这种方式也带来了一些弊端，因为需要动态的评估后端服务器的负载压力，那这个「负载均衡器」除了转发请求以外，还要做很多额外的工作，比如采集 连接数、请求数、CPU负载指标、IO负载指标等等，通过对这些指标进行计算和对比，判断出哪一台后端服务器的负载压力较大。

　　因此这种方式带来了效果优势的同时，也增加了「负载均衡器」的实现难度和维护成本。

3. 响应策略

　　响应策略是指，当用户请求过来的时候，「负载均衡器」会优先将请求转发给当前时刻响应最快的后端服务器。

　　也就是说，不管后端服务器负载高不高，也不管配置如何，只要觉得这个服务器在当前时刻能最快的响应用户的请求，那么就优先把请求转发给它，这样的话，对于用户而言，体验也最好。

　　那「负载均衡器」是怎么知道哪一台后端服务在当前时刻响应能力最佳呢？

　　这就需要「负载均衡器」不停的去统计每一台后端服务器对请求的处理速度了，比如一分钟统计一次，生成一个后端服务器处理速度的排行榜。然后「负载均衡器」根据这个排行榜去转发服务。

　　那么这里的问题就是统计的成本了，不停的做这些统计运算本身也会消耗一些性能，同时也会增加「负载均衡器」的实现难度和维护成本。

4. 哈希策略

　　Hash策略也比较好理解，就是将请求中的某个信息进行hash计算，然后根据后端服务器台数取模，得到一个值，算出相同值的请求就被转发到同一台后端服务器中。

　　常见的用法是对用户的IP或者ID进行这个策略，然后「负载均衡器」就能保证同一个IP来源或者同一个用户永远会被送到同一个后端服务器上了，一般用于处理缓存、会话等功能的时候特别好用。

 

原文引用：不懂高性能的负载均衡设计？