在互聯(lián)網(wǎng)大行其道的今天，隨著業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，技術(shù)上我們常常要面對(duì)高并發(fā)，大流量。

接入層，代理層，應(yīng)服務(wù)器示意圖

我們知道了負(fù)載均衡分為“硬件負(fù)載均衡”和“軟件負(fù)載均衡”，那么來逐一看看他們是如何工作的吧。

硬件負(fù)載均衡

既然前面提到了負(fù)載均衡器的分類，那么我們就來聊聊他們的特點(diǎn)。硬件負(fù)載均衡技術(shù)只專注網(wǎng)絡(luò)判斷，不考慮業(yè)務(wù)系統(tǒng)與應(yīng)用使用的情況。

看上去它對(duì)處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求是非常專業(yè)的，但有趣的是，如果應(yīng)用服務(wù)出現(xiàn)了流量瓶頸，而“接入層”的硬件負(fù)載均衡沒有發(fā)現(xiàn)異常，還是讓流量繼續(xù)進(jìn)入到應(yīng)用服務(wù)器，并沒有阻止，就會(huì)造成應(yīng)用服務(wù)器流量過大。

所以，為了保證高可用，可以在“接入層”和“代理層”同時(shí)考慮限流的問題。

作為硬件負(fù)載均衡器，常在大企業(yè)使用。下面我們以 F5 公司的“F5 BIG-IP”產(chǎn)品為藍(lán)本給大家介紹(下面簡(jiǎn)稱 F5)。

實(shí)際上它是一個(gè)集成的解決方案，對(duì)于研發(fā)的同學(xué)來說，主要理解其原理。

硬件負(fù)載均衡器三大功能

上面談到硬件負(fù)載均衡器的作用和特點(diǎn)，它具備哪三大功能?實(shí)現(xiàn)原理又是怎樣的?

①多鏈路負(fù)載均衡

關(guān)鍵業(yè)務(wù)都需要安排和配置多條 ISP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商)接入鏈路來保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可靠性。

如果某個(gè) ISP 停止服務(wù)或者服務(wù)異常了，那么可以利用另一個(gè) ISP 替代服務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可用性。

不同的 ISP 有不同自治域，因此需要考慮兩種情況：

• INBOUND
• OUTBOUND

INBOUND，來自網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信息。F5 分別綁定兩個(gè) ISP 服務(wù)商的公網(wǎng)地址，解析來自兩個(gè) ISP 服務(wù)商的 DNS 解析請(qǐng)求。

F5 可以根據(jù)服務(wù)器狀況和響應(yīng)情況對(duì) DNS 進(jìn)行發(fā)送，也可以通過多條鏈路分別建立 DNS 連接。

OUTBOUND，返回給請(qǐng)求者的應(yīng)答信息。F5 可以將流量分配到不同的網(wǎng)絡(luò)接口，并做源地址的 NAT(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)，即通過 IP 地址轉(zhuǎn)換為源請(qǐng)求地址。

也可以用接口地址自動(dòng)映射，保證數(shù)據(jù)包返回時(shí)能夠被源頭正確接收。

多路負(fù)載的方式增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)接入層的可靠性

②防火墻負(fù)載均衡

針對(duì)大量網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的情況，單一防火墻的能力就有限了，而且防火墻本身要求數(shù)據(jù)同進(jìn)同出，為了解決多防火墻負(fù)載均衡的問題，F(xiàn)5 提出了防火墻負(fù)載均衡的“防火墻三明治"方案。

防火墻會(huì)對(duì)用戶會(huì)話的雙向數(shù)據(jù)流進(jìn)行監(jiān)控，從而確定數(shù)據(jù)的合法性。如果采取多臺(tái)防火墻進(jìn)行負(fù)載均衡，有可能會(huì)造成同一個(gè)用戶會(huì)話的雙向數(shù)據(jù)在多臺(tái)防火墻上都進(jìn)行處理。

而單個(gè)防火墻上看不到完成用戶會(huì)話的信息，就會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)非法因此拋棄數(shù)據(jù)。

所以在每個(gè)防火墻的兩端要架設(shè)四層交換機(jī)，可以在作流量分發(fā)的同時(shí)，維持用戶會(huì)話的完整性，使同一用戶的會(huì)話由一個(gè)防火墻來處理。而這種場(chǎng)景就需要 F5 負(fù)載均衡器協(xié)助才能完成轉(zhuǎn)發(fā)。

有趣的是，F(xiàn)5 協(xié)調(diào)上述方案的配置和實(shí)現(xiàn)后，會(huì)把“交換機(jī)”，“防火墻”，“交換機(jī)”夾在了一起好像三明治一樣。

防火墻“三明治”

③服務(wù)器負(fù)載均衡

在硬件負(fù)載均衡器掛接多個(gè)應(yīng)用服務(wù)器時(shí)，需要為這些服務(wù)做負(fù)載均衡，根據(jù)規(guī)則，讓請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器上去：

• 對(duì)于服務(wù)器的負(fù)載均衡的前提是，服務(wù)器都提供同樣的服務(wù)，也就是同樣的業(yè)務(wù)同時(shí)部署在多個(gè)服務(wù)器上。
• 對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器可以在 F5 上配置并且實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，F(xiàn)5 可以檢查服務(wù)器的健康狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)故障，將其從負(fù)載均衡組中移除。
• F5 對(duì)于外網(wǎng)而言有一個(gè)真實(shí)的 IP，對(duì)于內(nèi)網(wǎng)的每個(gè)服務(wù)器都生成一個(gè)虛擬 IP，進(jìn)行負(fù)載均衡和管理工作。因此,它能夠?yàn)榇罅康幕?TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供服務(wù)器負(fù)載均衡服務(wù)。
• 根據(jù)服務(wù)類型不同定義不同的服務(wù)器群組。
• 根據(jù)不同服務(wù)端口將流量導(dǎo)向?qū)?yīng)的服務(wù)器。甚至可以對(duì) VIP 用戶的請(qǐng)求進(jìn)行特殊的處理，把這類請(qǐng)求導(dǎo)入到高性能的服務(wù)器使 VIP 客戶得到最好的服務(wù)響應(yīng)。
• 根據(jù)用戶訪問內(nèi)容的不同將流量導(dǎo)向指定服務(wù)器。

優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

聊完了硬件負(fù)載均衡器的特點(diǎn)和功能以后，讓我們來總結(jié)一下它的優(yōu)缺點(diǎn)：

• 優(yōu)點(diǎn)：直接連接交換機(jī)，處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求能力強(qiáng)，與系統(tǒng)無關(guān)，負(fù)載性能強(qiáng)?？梢詰?yīng)用于大量設(shè)施，適應(yīng)大訪問量、使用簡(jiǎn)單。
• 缺點(diǎn)：成本高，配置冗余。即使網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求分發(fā)到服務(wù)器集群，負(fù)載均衡設(shè)施卻是單點(diǎn)配置;無法有效掌握服務(wù)器及應(yīng)使用狀態(tài)。

軟件負(fù)載均衡

說完硬件負(fù)載均衡，再來談?wù)勡浖?fù)載均衡。軟件負(fù)載均衡是指在一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器的操作系統(tǒng)上安裝一個(gè)或多個(gè)軟件來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

它的優(yōu)點(diǎn)是基于特定環(huán)境，配置簡(jiǎn)單，使用靈活，成本低廉，可以滿足一般的負(fù)載均衡需求。

代理層通常起到承上啟下的作用，上連“接入層”，下接應(yīng)用服務(wù)器(上游服務(wù)器)，可以做反向代理，緩存，數(shù)據(jù)驗(yàn)證，限流。本文會(huì)一一為各位介紹。

目前市面上比較流行的軟件負(fù)載均衡有 LVS，HAProxy，Ngnix。由于篇幅有限我們通過應(yīng)用廣泛的 Nginx 為切入點(diǎn)，給大家講解，之后會(huì)把上面三類軟件進(jìn)行一個(gè)對(duì)比。

功能描述和原理分析

對(duì)于程序員來說，接觸最多的就是軟件負(fù)載均衡。不僅要知道如何使用，同時(shí)也要了解背后的原理，下面列舉了其最常用到的 4 大功能。

①反向代理與負(fù)載均衡

第一個(gè)功能是反向代理與負(fù)載均衡，如下圖：

客戶端是如何把請(qǐng)求發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器的

客戶端把請(qǐng)求發(fā)送到應(yīng)用服務(wù)器有如下幾個(gè)步驟：

• 客戶端請(qǐng)求 URL 給 DNS。
• DNS 將 URL 轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的 IP。
• 通過 IP 找到服務(wù)器。
• 服務(wù)器接受到請(qǐng)求的報(bào)文，轉(zhuǎn)交給接入層處理，接入層由于采用了硬件負(fù)載均衡器，所以能夠扛住大數(shù)據(jù)量。
• 接入層把報(bào)文再次轉(zhuǎn)交給代理層(并發(fā) 5W)，代理層的 Nginx 收到報(bào)文再根據(jù)反向代理的策略發(fā)送給上游服務(wù)器(應(yīng)用服務(wù)器)。

負(fù)載均衡的算法/策略

實(shí)際上負(fù)載均衡的算法是很多的，這里以 Nginx 為例，介紹五種算法：

• Round-Robin：輪詢算法，默認(rèn)算法。對(duì)上游的服務(wù)器進(jìn)行挨個(gè)輪詢，這個(gè)算法是可以配合 Weight(權(quán)重)來實(shí)現(xiàn)的。
• Weight：權(quán)重算法，給應(yīng)用服務(wù)器設(shè)置 Weight 的值。Weight 默認(rèn)值為 1，Weight 參數(shù)越大被訪問的幾率越大?？梢愿鶕?jù)服務(wù)器的配置和資源情況配置 Weight 值，讓資源情況樂觀的服務(wù)器承擔(dān)更多的訪問量。
• IP-Hash：這個(gè)算法可以根據(jù)用戶 IP 進(jìn)行負(fù)載均衡，同一 IP 的用戶端請(qǐng)求報(bào)文是會(huì)被同一臺(tái)上游服務(wù)器響應(yīng)的。也就是讓同一客戶端的回話(Session)保持一致。
• Least_conn：把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給連接數(shù)較少的后端服務(wù)器。輪詢算法是把請(qǐng)求平均的轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)后端，使它們的負(fù)載大致相同;但是，有些請(qǐng)求占用的時(shí)間很長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致其所在的后端負(fù)載較高。這種情況下，Least_conn 這種方式就可以達(dá)到更好的負(fù)載均衡效果。
• Hash Key：這個(gè)算法是對(duì) Hash 算法的補(bǔ)充，主要是考慮當(dāng)出現(xiàn)上游服務(wù)器增加/刪除的情況，請(qǐng)求無法正確的被同一服務(wù)器處理。

所以對(duì)每個(gè)請(qǐng)求都設(shè)置 Hash Key，這樣就算服務(wù)器發(fā)生了變化，Key 的值沒有變，也可以找到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器。

②動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡

一般上游服務(wù)器都采用微服務(wù)的架構(gòu)，那么負(fù)載均衡會(huì)把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)給哪個(gè)服務(wù)呢?如果服務(wù)出現(xiàn)了問題如何通知負(fù)載均衡器呢?有新的服務(wù)注冊(cè)怎么辦呢?

動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡流程

微服務(wù)首先會(huì)注冊(cè)到“服務(wù)注冊(cè)發(fā)現(xiàn)”中心(Consul，Eureka)。注冊(cè)中心包含微服務(wù)的信息，Nginx 會(huì)定期從這里拉取服務(wù)信息(Lua)。

獲取微服務(wù)信息以后，Nginx 收到數(shù)據(jù)報(bào)的時(shí)候，就可以從注冊(cè)中心獲取的服務(wù)地址，把信息傳遞給服務(wù)了。

③限流

限流的工作可以在接入層用硬件負(fù)載均衡器來完成，也可以在代理層來完成。

限流實(shí)際上就是限制流入請(qǐng)求的數(shù)量，其算法不少，有令牌桶算法，漏桶算法，連接數(shù)限制等等。這里我們就介紹三個(gè)常用的。一般通過 Nignx+Lua 來實(shí)現(xiàn)。

連接數(shù)限流：通過 ngx_http_limit_conn_module 模塊實(shí)現(xiàn)。設(shè)置大的連接數(shù)以及共享內(nèi)存的區(qū)域大小，請(qǐng)求的時(shí)候判斷是否超過了大連接數(shù)。

如果超過大連接數(shù)就被限流，否則針對(duì)連接數(shù)就 +1，請(qǐng)求結(jié)束以后會(huì)將連接數(shù) -1。

漏桶算法：通過 ngx_http_limit_req_module 模塊實(shí)現(xiàn)。一個(gè)固定容量的桶，數(shù)據(jù)報(bào)按照固定的速度流出。

數(shù)據(jù)報(bào)可以按照任意的速度流入桶中，如果數(shù)據(jù)報(bào)的容量超過了桶的容量，再流入的數(shù)據(jù)報(bào)將會(huì)被丟棄。

按照這個(gè)規(guī)則，需要設(shè)置限流的區(qū)域以及桶的容量，以及是否延遲。

漏桶策略

令牌桶算法，桶的大小是固定的，以固定的速度往桶里丟令牌。桶滿了后，后面添加的令牌無法添加。

數(shù)據(jù)報(bào)到來時(shí)從桶中取令牌，如果桶中有令牌，憑借令牌處理請(qǐng)求，處理完畢令牌銷毀;數(shù)據(jù)報(bào)到來時(shí)發(fā)現(xiàn)桶中沒令牌，該請(qǐng)求將被拒絕。

請(qǐng)求在發(fā)往令牌桶之前需要經(jīng)過過濾/分類器，可以對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類，例如：某類報(bào)文可以直接發(fā)往應(yīng)用服務(wù)器，某類報(bào)文需要經(jīng)過令牌桶獲取令牌以后才能發(fā)。

又例如：VIP 就可以直接把請(qǐng)求發(fā)往服務(wù)器，用不著經(jīng)過令牌桶。

令牌桶示意圖

④緩存

Nginx 本地緩存機(jī)制

接入層發(fā)送請(qǐng)求，如果能夠在 Nginx 本地緩存命中，直接返回緩存數(shù)據(jù)，如果沒有命中回源到應(yīng)用服務(wù)器。

緩存更新服務(wù)器定時(shí)更新 Nginx 本地緩存信息。這些需要考慮數(shù)據(jù)的一致性，何時(shí)更新以及何時(shí)失效等情況。

Nginx 緩存可以大大提高請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間，可以把不經(jīng)常更改的信息，例如：用戶信息，提前放入緩存中，每次請(qǐng)求就不用再去請(qǐng)求應(yīng)用服務(wù)器了。一旦用戶信息更新，可以按照一定時(shí)鐘頻率寫入緩存中。

另外，一般 HTTPHEAD 中都帶有一些信息更新的信息。Nginx 也可以通過 expires，etag，if-modified-since 來實(shí)現(xiàn)瀏覽器緩存的控制。

其他的幾個(gè)功能如下：

• 客戶端超時(shí)重試
• DNS 超時(shí)重試
• 代理超時(shí)重試
• 失敗重試
• 心跳檢測(cè)
• 配置上有服務(wù)器

流行的軟件負(fù)載均衡器

目前比較流行的有 LVS，Nginx 和 HAProxy，逐個(gè)看看他們的特點(diǎn)。

LVS

LVS(Linux Virtual Server) 是使用 Linux 內(nèi)核集群實(shí)現(xiàn)的一個(gè)高性能、高可用的負(fù)載均衡服務(wù)器，它具有很好的可伸縮性(Scalability)、可靠性(Reliability)和可管理性(Manageability)。

LVS 特點(diǎn)是：

• 僅作分發(fā)之用，即把請(qǐng)求直接分發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器，因此沒有流量的產(chǎn)生，對(duì)資源的消耗低。
• 配置簡(jiǎn)單，能夠配置的項(xiàng)目少。
• 工作在第四層(傳輸層)，支持 TCP/UDP，對(duì)應(yīng)用的支持廣泛。

HAProxy

HAProxy 實(shí)現(xiàn)了一種事件驅(qū)動(dòng)，單一進(jìn)程模型，此模型支持非常大的并發(fā)連接數(shù)。

多進(jìn)程或多線程模型受內(nèi)存限制 、系統(tǒng)調(diào)度器限制以及無處不在的鎖限制，很少能處理數(shù)千并發(fā)連接。

HAProxy 特點(diǎn)是：

• 支持虛擬主機(jī)。
• 支持 Session 保持，Cookie 引導(dǎo)。
• 通過指定的 URL 來檢測(cè)應(yīng)用服務(wù)器的狀態(tài)。
• 支持 TCP/HTTP 協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)。

Nginx

Nginx 是一款輕量級(jí)的 Web 服務(wù)器/反向代理服務(wù)器及電子郵件(IMAP/POP3)代理服務(wù)器，并在一個(gè) BSD-like 協(xié)議下發(fā)行。

Nginx 特點(diǎn)是：

• 工作在網(wǎng)絡(luò)的 4/7 層，對(duì) HTTP 應(yīng)用做負(fù)載均衡策略，如：域名、目錄結(jié)構(gòu)。
• 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性依賴小，可以區(qū)分內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的訪問。
• 安裝和配置相對(duì)簡(jiǎn)單。
• 能承受很高負(fù)載且穩(wěn)定，處理的流量依賴于按照 Nginx 服務(wù)器的配置。
• 可以檢測(cè)服務(wù)器的問題，可以對(duì)服務(wù)器返回的信息進(jìn)行處理和過濾，避免讓無法工作的服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求。
• 對(duì)請(qǐng)求可以進(jìn)行異步處理。
• 支持 HTTP、HTTPS 和 EMAIL。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡的技術(shù)選型

既然上面對(duì)軟/硬件負(fù)載均衡有了總體的了解，那么按照“技術(shù)服務(wù)業(yè)務(wù)”的原則，在業(yè)務(wù)發(fā)展的不同階段，如何使用這兩類負(fù)載均衡技術(shù)呢?

發(fā)展階段

企業(yè)業(yè)務(wù)從 0 到 1，從無到有，數(shù)據(jù)量和訪問量都不大。Nginx 或 HAProxy 進(jìn)行單點(diǎn)的負(fù)載均衡就已經(jīng)足夠了。

這階段剛剛采用多臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫，需要一定的負(fù)載均衡做支撐。由于業(yè)務(wù)量不大，所以沒有專業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊(duì)來維護(hù)，也沒有大規(guī)模的網(wǎng)站部署的需求。

因此 Nginx 或 HAproxy 是第一選擇，因?yàn)槠渖鲜挚欤?配置容易，在七層之上利用 HTTP 協(xié)議就能滿足要求了。

擴(kuò)張階段

隨著業(yè)務(wù)量增大，用戶訪問和交易量也在逐步增加，這時(shí)單點(diǎn)的 Nginx 或 HAProxy 已經(jīng)無法滿足之前的需求了。

使用 LVS 或者硬件負(fù)載均衡(F5/Array)就是架構(gòu)師需要考慮的問題了，Nginx 此時(shí)就作為 LVS 或者硬件負(fù)載均衡(F5/Array)的節(jié)點(diǎn)來處理。

軟件負(fù)載均衡+硬件負(fù)載均衡的架構(gòu)配置在這個(gè)階段就需要考慮了，也是對(duì)架構(gòu)設(shè)計(jì)者的挑戰(zhàn)。

成熟階段

隨著公司業(yè)務(wù)擴(kuò)張到達(dá)頂峰，之前的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)已經(jīng)升級(jí)成主流服務(wù)產(chǎn)品，需要考慮在開源產(chǎn)品上進(jìn)行業(yè)務(wù)定制，所以開源的 LVS，已經(jīng)成為選。其在深度定制之后依舊會(huì)和硬件負(fù)載均衡器配合完成業(yè)務(wù)服務(wù)。

總結(jié)

今天內(nèi)容比較多，總結(jié)下來，三句話：

• 硬件和軟件負(fù)載均衡，分別工作在“接入層”和“代理層”。
• 一個(gè)專注于網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)多鏈路，防火墻以及服務(wù)器的負(fù)載均衡，例如：F5 BIG-IP。
• 另一個(gè)偏向于業(yè)務(wù)，主要功能是反向代理，動(dòng)態(tài)代理，緩存，限流，例如：LVS，Nginx，HAProxy。

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