什么是負(fù)載均衡，原理是什么？

一、什么是負(fù)載均衡

負(fù)載均衡（LoadBalance）

其意思就是分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)操作單元上進(jìn)行執(zhí)行，例如Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、企業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)器和其它關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)器等，從而共同完成工作任務(wù)。

單從字面上的意思來(lái)理解就可以解釋N臺(tái)服務(wù)器平均分擔(dān)負(fù)載，不會(huì)因?yàn)槟撑_(tái)服務(wù)器負(fù)載高宕機(jī)而某臺(tái)服務(wù)器閑置的情況。那么負(fù)載均衡的前提就是要有多臺(tái)服務(wù)器才能實(shí)現(xiàn)，也就是兩臺(tái)以上即可。

二、負(fù)載均衡的優(yōu)

減少服務(wù)器的壓力，將原本一臺(tái)服務(wù)器索要承受的訪問(wèn)量分給多臺(tái)，并提高項(xiàng)目的可用性，當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器掛掉的時(shí)候不會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目癱瘓。

三、四層負(fù)載均衡和七層負(fù)載均衡

四層負(fù)載均衡工作在OSI模型的傳輸層，主要工作是轉(zhuǎn)發(fā)，它在接收到客戶端的流量以后通過(guò)修改數(shù)據(jù)包的地址信息將流量轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器。

七層負(fù)載均衡工作在OSI模型的應(yīng)用層，因?yàn)樗枰馕鰬?yīng)用層流量，所以七層負(fù)載均衡在接到客戶端的流量以后，還需要一個(gè)完整的TCP/IP協(xié)議棧。七層負(fù)載均衡會(huì)與客戶端建立一條完整的連接并將應(yīng)用層的請(qǐng)求流量解析出來(lái)，再按照調(diào)度算法選擇一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器，并與應(yīng)用服務(wù)器建立另外一條連接將請(qǐng)求發(fā)送過(guò)去，因此七層負(fù)載均衡的主要工作就是代理。 七層負(fù)載均衡 也稱為“內(nèi)容交換”，也就是主要通過(guò)報(bào)文中的真正有意義的應(yīng)用層內(nèi)容，再加上負(fù)載均衡設(shè)備設(shè)置的服務(wù)器選擇方式，決定最終選擇的內(nèi)部服務(wù)器。

七層負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)：這種方式可以對(duì)客戶端的請(qǐng)求和服務(wù)器的響應(yīng)進(jìn)行任意意義上的修改，極大的提升了應(yīng)用系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層的靈活性；安全性高。

七層負(fù)載均衡，主要還是著重于應(yīng)用廣泛的HTTP協(xié)議，所以其應(yīng)用范圍主要是眾多的網(wǎng)站或者內(nèi)部信息平臺(tái)等基于B/S開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)。 四層負(fù)載均衡則對(duì)應(yīng)其他TCP應(yīng)用，例如基于C/S開(kāi)發(fā)的ERP等系統(tǒng)。

四、負(fù)載均衡的使用軟件

負(fù)載均衡軟件有Nginx、LVS、HaProxy等是目前使用最廣泛的三種負(fù)載均衡軟件。

四、負(fù)載均衡算法

一般來(lái)說(shuō)負(fù)載均衡設(shè)備都會(huì)默認(rèn)支持多種負(fù)載均衡分發(fā)策略，例如：

輪詢（RoundRobin）將請(qǐng)求順序循環(huán)地發(fā)到每個(gè)服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障，AX就把其從順序循環(huán)隊(duì)列中拿出，不參加下一次的輪詢，直到其恢復(fù)正常。

比率（Ratio）：給每個(gè)服務(wù)器分配一個(gè)加權(quán)值為比例，根椐這個(gè)比例，把用戶的請(qǐng)求分配到每個(gè)服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障，AX就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

優(yōu)先權(quán)（Priority）：給所有服務(wù)器分組，給每個(gè)組定義優(yōu)先權(quán)，將用戶的請(qǐng)求分配給優(yōu)先級(jí)高的服務(wù)器組（在同一組內(nèi)，采用預(yù)先設(shè)定的輪詢或比率算法，分配用戶的請(qǐng)求）；當(dāng)高優(yōu)先級(jí)中所有服務(wù)器或者指定數(shù)量的服務(wù)器出現(xiàn)故障，AX將把請(qǐng)求送給次優(yōu)先級(jí)的服務(wù)器組。這種方式，實(shí)際為用戶提供一種熱備份的方式。

最少連接數(shù)（LeastConnection）：AX會(huì)記錄當(dāng)前每臺(tái)服務(wù)器或者服務(wù)端口上的連接數(shù)，新的連接將傳遞給連接數(shù)最少的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障，AX就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

最快響應(yīng)時(shí)間（Fast Reponse time）：新的連接傳遞給那些響應(yīng)最快的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障，AX就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

哈希算法( hash): 將客戶端的源地址，端口進(jìn)行哈希運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給一臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理，當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障，就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

基于數(shù)據(jù)包的內(nèi)容分發(fā)：例如判斷HTTP的URL，如果URL中帶有.jpg的擴(kuò)展名，就把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到指定的服務(wù)器。

五、健康檢查

健康檢查用于檢查服務(wù)器開(kāi)放的各種服務(wù)的可用狀態(tài)。負(fù)載均衡設(shè)備一般會(huì)配置各種健康檢查方法，例如Ping，TCP，UDP，HTTP，F(xiàn)TP，DNS等。Ping屬于第三層的健康檢查，用于檢查服務(wù)器IP的連通性，而TCP/UDP屬于第四層的健康檢查，用于檢查服務(wù)端口的UP/DOWN，如果要檢查的更準(zhǔn)確，就要用到基于7層的健康檢查，例如創(chuàng)建一個(gè)HTTP健康檢查，Get一個(gè)頁(yè)面回來(lái)，并且檢查頁(yè)面內(nèi)容是否包含一個(gè)指定的字符串，如果包含，則服務(wù)是UP的，如果不包含或者取不回頁(yè)面，就認(rèn)為該服務(wù)器的Web服務(wù)是不可用（DOWN）的。比如，負(fù)載均衡設(shè)備檢查到172.16.20.3這臺(tái)服務(wù)器的80端口是DOWN的，負(fù)載均衡設(shè)備將不把后面的連接轉(zhuǎn)發(fā)到這臺(tái)服務(wù)器，而是根據(jù)算法將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到別的服務(wù)器。創(chuàng)建健康檢查時(shí)可以設(shè)定檢查的間隔時(shí)間和嘗試次數(shù)，例如設(shè)定間隔時(shí)間為5秒，嘗試次數(shù)為3，那么負(fù)載均衡設(shè)備每隔5秒發(fā)起一次健康檢查，如果檢查失敗，則嘗試3次，如果3次都檢查失敗，則把該服務(wù)標(biāo)記為DOWN，然后服務(wù)器仍然會(huì)每隔5秒對(duì)DOWN的服務(wù)器進(jìn)行檢查，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻發(fā)現(xiàn)該服務(wù)器健康檢查又成功了，則把該服務(wù)器重新標(biāo)記為UP。健康檢查的間隔時(shí)間和嘗試次數(shù)要根據(jù)綜合情況來(lái)設(shè)置，原則是既不會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，又不會(huì)對(duì)負(fù)載均衡設(shè)備造成較大負(fù)擔(dān)。

六、會(huì)話保持

如何保證一個(gè)用戶的兩次http請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到同一個(gè)服務(wù)器，這就要求負(fù)載均衡設(shè)備配置會(huì)話保持。

會(huì)話保持用于保持會(huì)話的連續(xù)性和一致性，由于服務(wù)器之間很難做到實(shí)時(shí)同步用戶訪問(wèn)信息，這就要求把用戶的前后訪問(wèn)會(huì)話保持到一臺(tái)服務(wù)器上來(lái)處理。舉個(gè)例子，用戶訪問(wèn)一個(gè)電子商務(wù)網(wǎng)站，如果用戶登錄時(shí)是由第一臺(tái)服務(wù)器來(lái)處理的，但用戶購(gòu)買商品的動(dòng)作卻由第二臺(tái)服務(wù)器來(lái)處理，第二臺(tái)服務(wù)器由于不知道用戶信息，所以本次購(gòu)買就不會(huì)成功。這種情況就需要會(huì)話保持，把用戶的操作都通過(guò)第一臺(tái)服務(wù)器來(lái)處理才能成功。當(dāng)然并不是所有的訪問(wèn)都需要會(huì)話保持，例如服務(wù)器提供的是靜態(tài)頁(yè)面比如網(wǎng)站的新聞?lì)l道，各臺(tái)服務(wù)器都有相同的內(nèi)容，這種訪問(wèn)就不需要會(huì)話保持。

絕大多數(shù)的負(fù)載均衡產(chǎn)品都支持兩類基本的會(huì)話保持方式：源/目的地址會(huì)話保持和cookie會(huì)話保持，另外像hash，URL Persist等也是比較常用的方式，但不是所有設(shè)備都支持?；诓煌膽?yīng)用要配置不同的會(huì)話保持，否則會(huì)引起負(fù)載的不均衡甚至訪問(wèn)異常。我們主要分析B/S結(jié)構(gòu)的會(huì)話保持。

七、基于B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：

對(duì)于普通B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用內(nèi)容，例如網(wǎng)站的靜態(tài)頁(yè)面，可以不用配置任何的會(huì)話保持，但是對(duì)于一個(gè)基于B/S結(jié)構(gòu)尤其是中間件平臺(tái)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須配置會(huì)話保持，一般情況下，我們配置源地址會(huì)話保持可以滿足需求，但是考慮到客戶端可能有上述不利于源地址會(huì)話保持的環(huán)境，采用Cookie會(huì)話保持是一個(gè)更好的方式。Cookie會(huì)話保持會(huì)把負(fù)載均衡設(shè)備選擇的Server信息保存在Cookie中發(fā)送到客戶端，客戶端持續(xù)訪問(wèn)時(shí)，會(huì)把該Cookie帶來(lái)，負(fù)載均衡器通過(guò)分析Cookie把會(huì)話保持到之前選定的服務(wù)器。Cookie分為文件Cookie和內(nèi)存cookie，文件cookie保存在客戶端計(jì)算機(jī)硬盤上，只要該cookie文件不過(guò)期，則無(wú)論是否重復(fù)關(guān)閉開(kāi)放瀏覽器都能保持到同一臺(tái)服務(wù)器。內(nèi)存Cookie則是把Cookie信息保存在內(nèi)存中，Cookie的生存時(shí)間從打開(kāi)瀏覽器訪問(wèn)開(kāi)始，關(guān)閉瀏覽器結(jié)束。由于現(xiàn)在的瀏覽器對(duì)Cookie都有一定默認(rèn)的安全設(shè)置，有些客戶端可能規(guī)定不準(zhǔn)使用文件Cookie，所以現(xiàn)在的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)多使用內(nèi)存Cookie。

然而，內(nèi)存Cookie也不是萬(wàn)能的，比如瀏覽器為了安全可能會(huì)完全禁用Cookie，這樣Cookie會(huì)話保持就失去了作用。我們可以通過(guò)Session-id來(lái)實(shí)現(xiàn)會(huì)話保持，即將session-id作為url參數(shù)或者放在隱藏字段中，然后分析Session-id進(jìn)行分發(fā)。

另一種方案是：將每一會(huì)話信息保存到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于這個(gè)方案會(huì)增加數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)載，所以這個(gè)方案對(duì)性能的提高并不好。數(shù)據(jù)庫(kù)最好是用來(lái)存儲(chǔ)會(huì)話時(shí)間比較長(zhǎng)的會(huì)話數(shù)據(jù)。為了避免數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)單點(diǎn)故障，并且提高其擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)庫(kù)通常會(huì)復(fù)制到多臺(tái)服務(wù)器上，通過(guò)負(fù)載均衡器來(lái)分發(fā)請(qǐng)求到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上。

基于源/目的地址會(huì)話保持其實(shí)不太好用，因?yàn)榭蛻艨赡苁峭ㄟ^(guò)DHCP，NAT或者Web代理來(lái)連接Internet的，其IP地址可能經(jīng)常變換，這使得這個(gè)方案的服務(wù)質(zhì)量無(wú)法保障。

NAT(Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換):當(dāng)在專用網(wǎng)內(nèi)部的一些主機(jī)本來(lái)已經(jīng)分配到了本地IP地址(即僅在本專用網(wǎng)內(nèi)使用的專用地址)，但現(xiàn)在又想和因特網(wǎng)上的主機(jī)通信(并不需要加密)時(shí)，可使用NAT方法。這種方法需要在專用網(wǎng)連接到因特網(wǎng)的路由器上安裝NAT軟件。裝有NAT軟件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一個(gè)有效的外部全球IP地址。這樣，所有使用本地地址的主機(jī)在和外界通信時(shí)，都要在NAT路由器上將其本地地址轉(zhuǎn)換成全球IP地址，才能和因特網(wǎng)連接。

標(biāo)題名稱：什么是負(fù)載均衡，原理是什么？
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