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一篇讀懂分布式架構下的負載均衡技術:分類、原理、算法、常見方案等
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本文引用了公眾號“IT一刻鐘”的《一篇讀懂分布式架構下的負載均衡》一文的部分內容,感謝原作者的分享。


1、引言


關于“負載均衡”的解釋,百度詞條里:負載均衡,英文叫Load Balance,意思就是將請求或者數據分攤到多個操作單元上進行執行,共同完成工作任務。

負載均衡(Load Balance)建立在現有網絡結構之上,它提供了一種廉價有效透明的方法擴展網絡設備和服務器的帶寬、增加吞吐量、加強網絡數據處理能力、提高網絡的靈活性和可用性。

負載均衡有兩方面的含義:

  • 1)首先,大量的并發訪問或數據流量分擔到多臺節點設備上分別處理,減少用戶等待響應的時間;
  • 2)其次,單個重負載的運算分擔到多臺節點設備上做并行處理,每個節點設備處理結束后,將結果匯總,返回給用戶,系統處理能力得到大幅度提高。

簡單來說就是:

  • 1)其一是將大量的并發處理轉發給后端多個節點處理,減少工作響應時間;
  • 2)其二是將單個繁重的工作轉發給后端多個節點處理,處理完再返回給負載均衡中心,再返回給用戶。

目前負載均衡技術大多數是用于提高諸如在Web服務器、FTP服務器和其它關鍵任務服務器上的Internet服務器程序的可用性和可伸縮性。

總之,它的目的就通過調度集群,達到最佳化資源使用,最大化吞吐率,最小化響應時間,避免單點過載的問題。

內容概述:本文將從負載均衡技術的分類、技術原理、常見實現算法、常用方案等入手,為您詳細講解負載均衡技術的方方面面。這其中,四層和七層負載均衡技術最為常用,它們也是本文介紹的重點。

站長點評:對于即時通訊網的IM或消息推送應用的開發者來說,本文所介紹的傳統負載均衡技術,可能對于IM等即時通訊分布式場景來說,沒有辦法直接套用。原因是IM這類socket長連接場景,所處的網絡通信層級比較低,而且即時通訊相關的技術實現跟具體的業務邏輯緊密相關,因而無法像HTTP短連接這樣基于標準化的負載均衡方法來實現。但本文所介紹的負載均衡原理、算法和一些方案實現,仍然可以為IM或消息推送應用的開發者帶來一些借鑒和參考意義,值得深 入一讀。

補充:即時通訊網的另一篇《快速理解高性能HTTP服務端的負載均衡技術原理》,也講述了負載均衡方面的知識,有興趣也可以閱讀之。

2、相關文章


深入閱讀以下文章,有助于您更好地理解本篇內容:


3、負載均衡分類


TCP/IP協議的OSI模型:
一篇讀懂分布式架構下的負載均衡技術:分類、原理、算法、常見方案等_11.png
本圖高清版,請從《計算機網絡通訊協議關系圖(中文珍藏版)[附件下載]》一文中下載之

根據OSI模型可將負載均衡分為:

  • 1)二層負載均衡(一般是用虛擬mac地址方式,外部對虛擬MAC地址請求,負載均衡接收后分配后端實際的MAC地址響應);
  • 2)三層負載均衡(一般采用虛擬IP地址方式,外部對虛擬的ip地址請求,負載均衡接收后分配后端實際的IP地址響應);
  • 3)四層負載均衡(在三次負載均衡的基礎上,用 ip+port 接收請求,再轉發到對應的機器);
  • 4)七層負載均衡(根據虛擬的url或是IP,主機名接收請求,再轉向相應的處理服務器)。

這其中,最常見的是四層和七層負載均衡,也是本文接下來介紹的重點。

當客戶端發起請求,會經過層層的封裝,發給服務器,服務器收到請求后經過層層的解析,獲取到對應的內容。

下圖是一個典型的HTTP請求分層傳遞原理:
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4、二層負載均衡


二層負債均衡是基于數據鏈路層的負債均衡,即讓負債均衡服務器和業務服務器綁定同一個虛擬IP(即VIP),客戶端直接通過這個VIP進行請求。

那么如何區分相同IP下的不同機器呢?沒錯,通過MAC物理地址,每臺機器的MAC物理地址都不一樣,當負載均衡服務器接收到請求之后,通過改寫HTTP報文中以太網首部的MAC地址,按照某種算法將請求轉發到目標機器上,實現負載均衡。

這種方式負載方式雖然控制粒度比較粗,但是優點是負載均衡服務器的壓力會比較小,負載均衡服務器只負責請求的進入,不負責請求的響應(響應是有后端業務服務器直接響應給客戶端),吞吐量會比較高。

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5、三層負載均衡


三層負載均衡是基于網絡層的負載均衡,通俗的說就是按照不同機器不同IP地址進行轉發請求到不同的機器上。

這種方式雖然比二層負載多了一層,但從控制的顆粒度上看,并沒有比二層負載均衡更有優勢,并且,由于請求的進出都要經過負載均衡服務器,會對其造成比較大的壓力,性能也比二層負載均衡要差。

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6、四層負載均衡


四層的負載均衡就是基于IP+端口的負載均衡:在三層負載均衡的基礎上,通過發布三層的IP地址(VIP),然后加四層的端口號,來決定哪些流量需要做負載均衡,對需要處理的流量進行NAT處理,轉發至后臺服務器,并記錄下這個TCP或者UDP的流量是由哪臺服務器處理的,后續這個連接的所有流量都同樣轉發到同一臺服務器處理。

對應的負載均衡器稱為四層交換機(L4 switch),主要分析IP層及TCP/UDP層,實現四層負載均衡。

此種負載均衡器不理解應用協議(如HTTP/FTP/MySQL等等),常見例子有:LVS,F5。

7、七層負載均衡


七層的負載均衡就是基于虛擬的URL或主機IP的負載均衡:在四層負載均衡的基礎上(沒有四層是絕對不可能有七層的),再考慮應用層的特征,比如同一個Web服務器的負載均衡,除了根據VIP加80端口辨別是否需要處理的流量,還可根據七層的URL、瀏覽器類別、語言來決定是否要進行負載均衡。

舉個例子,如果你的Web服務器分成兩組,一組是中文語言的,一組是英文語言的,那么七層負載均衡就可以當用戶來訪問你的域名時,自動辨別用戶語言,然后選擇對應的語言服務器組進行負載均衡處理。

對應的負載均衡器稱為七層交換機(L7 switch),除了支持四層負載均衡以外,還有分析應用層的信息,如HTTP協議URI或Cookie信息,實現七層負載均衡。此種負載均衡器能理解應用協議,常見例子有:  haproxy,MySQL Proxy。

8、四層負載均衡和七層負載均衡的區別


8.1技術原理上的區別


所謂四層負載均衡,也就是主要通過報文中的目標地址和端口,再加上負載均衡設備設置的服務器選擇方式,決定最終選擇的內部服務器。

以常見的TCP為例,負載均衡設備在接收到第一個來自客戶端的SYN 請求時,即通過上述方式選擇一個最佳的服務器,并對報文中目標IP地址進行修改(改為后端服務器IP),直接轉發給該服務器。TCP的連接建立,即三次握手是客戶端和服務器直接建立的,負載均衡設備只是起到一個類似路由器的轉發動作。在某些部署情況下,為保證服務器回包可以正確返回給負載均衡設備,在轉發報文的同時可能還會對報文原來的源地址進行修改。

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所謂七層負載均衡,也稱為“內容交換”,也就是主要通過報文中的真正有意義的應用層內容,再加上負載均衡設備設置的服務器選擇方式,決定最終選擇的內部服務器。

以常見的TCP為例,負載均衡設備如果要根據真正的應用層內容再選擇服務器,只能先代理最終的服務器和客戶端建立連接(三次握手)后,才可能接受到客戶端發送的真正應用層內容的報文,然后再根據該報文中的特定字段,再加上負載均衡設備設置的服務器選擇方式,決定最終選擇的內部服務器。負載均衡設備在這種情況下,更類似于一個代理服務器。負載均衡和前端的客戶端以及后端的服務器會分別建立TCP連接。所以從這個技術原理上來看,七層負載均衡明顯的對負載均衡設備的要求更高,處理七層的能力也必然會低于四層模式的部署方式

8.2應用場景的需求


七層應用負載的好處,是使得整個網絡更"智能化"。參考這篇《利用負載均衡優化和加速HTTP應用》,就可以基本上了解這種方式的優勢所在。

例如訪問一個網站的用戶流量,可以通過七層的方式,將對圖片類的請求轉發到特定的圖片服務器并可以使用緩存技術;將對文字類的請求可以轉發到特定的文字服務器并可以使用壓縮技術。

當然這只是七層應用的一個小案例,從技術原理上,這種方式可以對客戶端的請求和服務器的響應進行任意意義上的修改,極大的提升了應用系統在網絡層的靈活性。很多在后臺,例如Nginx或者Apache上部署的功能可以前移到負載均衡設備上,例如客戶請求中的Header重寫,服務器響應中的關鍵字過濾或者內容插入等功能。

另外一個常常被提到功能就是安全性。網絡中最常見的SYN Flood攻擊,即黑客控制眾多源客戶端,使用虛假IP地址對同一目標發送SYN攻擊,通常這種攻擊會大量發送SYN報文,耗盡服務器上的相關資源,以達到Denial of Service(DoS)的目的。

從技術原理上也可以看出,四層模式下這些SYN攻擊都會被轉發到后端的服務器上;而七層模式下這些SYN攻擊自然在負載均衡設備上就截止,不會影響后臺服務器的正常運營。另外負載均衡設備可以在七層層面設定多種策略,過濾特定報文,例如SQL Injection等應用層面的特定攻擊手段,從應用層面進一步提高系統整體安全。

現在的7層負載均衡,主要還是著重于應用HTTP協議,所以其應用范圍主要是眾多的網站或者內部信息平臺等基于B/S開發的系統。 4層負載均衡則對應其他TCP應用,例如IM即時通訊、實時消息推送等socket長連接系統。

8.3七層應用需要考慮的問題


七層應用需要考慮的問題:

  • 1)是否真的必要:七層應用的確可以提高流量智能化,同時必不可免的帶來設備配置復雜,負載均衡壓力增高以及故障排查上的復雜性等問題。在設計系統時需要考慮四層七層同時應用的混雜情況。
  • 2)是否真的可以提高安全性:例如SYN Flood攻擊,七層模式的確將這些流量從服務器屏蔽,但負載均衡設備本身要有強大的抗DDoS能力,否則即使服務器正常而作為中樞調度的負載均衡設備故障也會導致整個應用的崩潰。
  • 3)是否有足夠的靈活度:七層應用的優勢是可以讓整個應用的流量智能化,但是負載均衡設備需要提供完善的七層功能,滿足客戶根據不同情況的基于應用的調度。最簡單的一個考核就是能否取代后臺Nginx或者Apache等服務器上的調度功能。能夠提供一個七層應用開發接口的負載均衡設備,可以讓客戶根據需求任意設定功能,才真正有可能提供強大的靈活性和智能性。

8.4總體對比


四層負載均衡和七層負載均衡技術的總體對比:

  • 1)智能性:七層負載均衡由于具備OIS七層的所有功能,所以在處理用戶需求上能更加靈活,從理論上講,七層模型能對用戶的所有跟服務端的請求進行修改。例如對文件header添加信息,根據不同的文件類型進行分類轉發。四層模型僅支持基于網絡層的需求轉發,不能修改用戶請求的內容。
  • 2)安全性:七層負載均衡由于具有OSI模型的全部功能,能更容易抵御來自網絡的攻擊;四層模型從原理上講,會直接將用戶的請求轉發給后端節點,無法直接抵御網絡攻擊。
  • 3)復雜度:四層模型一般比較簡單的架構,容易管理,容易定位問題;七層模型架構比較復雜,通常也需要考慮結合四層模型的混用情況,出現問題定位比較復雜。
  • 4)效率比:四層模型基于更底層的設置,通常效率更高,但應用范圍有限;七層模型需要更多的資源損耗,在理論上講比四層模型有更強的功能,現在的實現更多是基于http應用。

9、負載均衡技術的常見具體應用方案


目前有許多不同的負載均衡技術實現用以滿足不同的應用需求,下面從負載均衡所采用的設備對象(軟/硬件負載均衡),應用的OSI網絡層次(網絡層次上的負載均衡),及應用的地理結構(本地/全局負載均衡)等來分類。

9.1軟/硬件負載均衡


軟件負載均衡解決方案:是指在一臺或多臺服務器相應的操作系統上安裝一個或多個附加軟件來實現負載均衡,如DNS Load Balance,CheckPoint Firewall-1 ConnectControl,Keepalive+ipvs等,它的優點是基于特定環境,配置簡單,使用靈活,成本低廉,可以滿足一般的負載均衡需求。軟件解決方案缺點也較多,因為每臺服務器上安裝額外的軟件運行會消耗系統不定量的資源,越是功能強大的模塊,消耗得越多,所以當連接請求特別大的時候,軟件本身會成為服務器工作成敗的一個關鍵;軟件可擴展性并不是很好,受到操作系統的限制;由于操作系統本身的Bug,往往會引起安全問題。

硬件負載均衡解決方案:是直接在服務器和外部網絡間安裝負載均衡設備,這種設備通常是一個獨立于系統的硬件,我們稱之為負載均衡器。由于專門的設備完成專門的任務,獨立于操作系統,整體性能得到大量提高,加上多樣化的負載均衡策略,智能化的流量管理,可達到最佳的負載均衡需求。負載均衡器有多種多樣的形式,除了作為獨立意義上的負載均衡器外,有些負載均衡器集成在交換設備中,置于服務器與Internet鏈接之間,有些則以兩塊網絡適配器將這一功能集成到PC中,一塊連接到Internet上,一塊連接到后端服務器群的內部網絡上。

軟件負載均衡與硬件負載均衡的對比如下。

1)軟件負載均衡:

  • 優點:是需求環境明確,配置簡單,操作靈活,成本低廉,效率不高,能滿足普通的企業需求;
  • 缺點:依賴于系統,增加資源開銷;軟件的優劣決定環境的性能;系統的安全,軟件的穩定性均會影響到整個環境的安全。

2)硬件負載均衡:

  • 優點:是獨立于系統,整體性能大量提升,在功能、性能上優于軟件方式;智能的流量管理,多種策略可選,能達到最佳的負載均衡效果;
  • 缺點:是價格昂貴。

9.2本地/全局負載均衡


負載均衡從其應用的地理結構上分為本地負載均衡(Local Load Balance)和全局負載均衡(Global Load Balance,也叫地域負載均衡),本地負載均衡是指對本地的服務器群做負載均衡,全局負載均衡是指對分別放置在不同的地理位置、有不同網絡結構的服務器群間作負載均衡。

本地負載均衡能有效地解決數據流量過大、網絡負荷過重的問題,并且不需花費昂貴開支購置性能卓越的服務器,充分利用現有設備,避免服務器單點故障造成數據流量的損失。其有靈活多樣的均衡策略把數據流量合理地分配給服務器群內的服務器共同負擔。即使是再給現有服務器擴充升級,也只是簡單地增加一個新的服務器到服務群中,而不需改變現有網絡結構、停止現有的服務。

全局負載均衡主要用于在一個多區域擁有自己服務器的站點,為了使全球用戶只以一個IP地址或域名就能訪問到離自己最近的服務器,從而獲得最快的訪問速度,也可用于子公司分散站點分布廣的大公司通過Intranet(企業內部互聯網)來達到資源統一合理分配的目的。

9.3網絡層次上的負載均衡


針對網絡上負載過重的不同瓶頸所在,從網絡的不同層次入手,我們可以采用相應的負載均衡技術來解決現有問題。

隨著帶寬增加,數據流量不斷增大,網絡核心部分的數據接口將面臨瓶頸問題,原有的單一線路將很難滿足需求,而且線路的升級又過于昂貴甚至難以實現,這時就可以考慮采用鏈路聚合(Trunking)技術。

鏈路聚合技術(第二層負載均衡)將多條物理鏈路當作一條單一的聚合邏輯鏈路使用,網絡數據流量由聚合邏輯鏈路中所有物理鏈路共同承擔,由此在邏輯上增大了鏈路的容量,使其能滿足帶寬增加的需求。

現代負載均衡技術通常操作于網絡的第四層或第七層。第四層負載均衡將一個Internet上合法注冊的IP地址映射為多個內部服務器的IP地址,對每次 TCP連接請求動態使用其中一個內部IP地址,達到負載均衡的目的。在第四層交換機中,此種均衡技術得到廣泛的應用,一個目標地址是服務器群VIP(虛擬 IP,Virtual IP address)連接請求的數據包流經交換機,交換機根據源端和目的IP地址、TCP或UDP端口號和一定的負載均衡策略,在服務器IP和VIP間進行映射,選取服務器群中最好的服務器來處理連接請求。

第七層負載均衡控制應用層服務的內容,提供了一種對訪問流量的高層控制方式,適合對HTTP服務器群的應用。第七層負載均衡技術通過檢查流經的HTTP報頭,根據報頭內的信息來執行負載均衡任務。

第七層負載均衡優點表現在如下幾個方面:

  • 1)通過對HTTP報頭的檢查,可以檢測出HTTP400、500和600系列的錯誤信息,因而能透明地將連接請求重新定向到另一臺服務器,避免應用層故障;
  • 2)可根據流經的數據類型(如判斷數據包是圖像文件、壓縮文件或多媒體文件格式等),把數據流量引向相應內容的服務器來處理,增加系統性能;
  • 3)能根據連接請求的類型,如是普通文本、圖象等靜態文檔請求,還是asp、cgi等的動態文檔請求,把相應的請求引向相應的服務器來處理,提高系統的性能及安全性。

第七層負載均衡缺點表現在如下幾個方面:

  • 1)第七層負載均衡受到其所支持的協議限制(一般只有HTTP),這樣就限制了它應用的廣泛性;
  • 2)第七層負載均衡檢查HTTP報頭會占用大量的系統資源,勢必會影響到系統的性能,在大量連接請求的情況下,負載均衡設備自身容易成為網絡整體性能的瓶頸。

10、常用的負載均衡算法


常用的負載均衡算法分為兩類:

  • 1)一種是靜態負載均衡;
  • 2)一種是動態負載均衡。

10.1靜態均衡算法


【10.1.1】輪詢法:

將請求按順序輪流地分配到每個節點上,不關心每個節點實際的連接數和當前的系統負載。

  • 優點:簡單高效,易于水平擴展,每個節點滿足字面意義上的均衡;
  • 缺點:沒有考慮機器的性能問題,根據木桶最短木板理論,集群性能瓶頸更多的會受性能差的服務器影響。

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【10.1.2】隨機法:

將請求隨機分配到各個節點。由概率統計理論得知,隨著客戶端調用服務端的次數增多,其實際效果越來越接近于平均分配,也就是輪詢的結果。

優缺點和輪詢相似。

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【10.1.3】源地址哈希法:

源地址哈希的思想是根據客戶端的IP地址,通過哈希函數計算得到一個數值,用該數值對服務器節點數進行取模,得到的結果便是要訪問節點序號。采用源地址哈希法進行負載均衡,同一IP地址的客戶端,當后端服務器列表不變時,它每次都會落到到同一臺服務器進行訪問。

  • 優點:相同的IP每次落在同一個節點,可以人為干預客戶端請求方向,例如灰度發布;
  • 缺點:如果某個節點出現故障,會導致這個節點上的客戶端無法使用,無法保證高可用。當某一用戶成為熱點用戶,那么會有巨大的流量涌向這個節點,導致冷熱分布不均衡,無法有效利用起集群的性能。所以當熱點事件出現時,一般會將源地址哈希法切換成輪詢法。

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【10.1.4】加權輪詢法:

不同的后端服務器可能機器的配置和當前系統的負載并不相同,因此它們的抗壓能力也不相同。給配置高、負載低的機器配置更高的權重,讓其處理更多的請;而配置低、負載高的機器,給其分配較低的權重,降低其系統負載,加權輪詢能很好地處理這一問題,并將請求順序且按照權重分配到后端。

加權輪詢算法要生成一個服務器序列,該序列中包含n個服務器。n是所有服務器的權重之和。在該序列中,每個服務器的出現的次數,等于其權重值。并且,生成的序列中,服務器的分布應該盡可能的均勻。比如序列{a, a, a, a, a, b, c}中,前五個請求都會分配給服務器a,這就是一種不均勻的分配方法,更好的序列應該是:{a, a, b, a, c, a, a}。

  • 優點:可以將不同機器的性能問題納入到考量范圍,集群性能最優最大化;
  • 缺點:生產環境復雜多變,服務器抗壓能力也無法精確估算,靜態算法導致無法實時動態調整節點權重,只能粗糙優化。

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【10.1.5】加權隨機法:

與加權輪詢法一樣,加權隨機法也根據后端機器的配置,系統的負載分配不同的權重。不同的是,它是按照權重隨機請求后端服務器,而非順序。

【10.1.6】鍵值范圍法:

根據鍵的范圍進行負債,比如0到10萬的用戶請求走第一個節點服務器,10萬到20萬的用戶請求走第二個節點服務器……以此類推。

  • 優點:容易水平擴展,隨著用戶量增加,可以增加節點而不影響舊數據;
  • 缺點:容易負債不均衡,比如新注冊的用戶活躍度高,舊用戶活躍度低,那么壓力就全在新增的服務節點上,舊服務節點性能浪費。而且也容易單點故障,無法滿足高可用。

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注:以上所提到的單點故障,都可以用主從方式來解決,從節點監聽主節點心跳,當發現主節點死亡,從節點切換成主節點頂替上去。這里可以思考一個問題,怎么設計集群主從可以最大程度上降低成本

10.2動態負債均衡算法


【10.2.1】最小連接數法:

根據每個節點當前的連接情況,動態地選取其中當前積壓連接數最少的一個節點處理當前請求,盡可能地提高后端服務的利用效率,將請求合理地分流到每一臺服務器。俗稱閑的人不能閑著,大家一起動起來。

  • 優點:動態,根據節點狀況實時變化;
  • 缺點:提高了復雜度,每次連接斷開需要進行計數;
  • 實現:將連接數的倒數當權重值。

【10.2.2】最快響應速度法:

根據請求的響應時間,來動態調整每個節點的權重,將響應速度快的服務節點分配更多的請求,響應速度慢的服務節點分配更少的請求,俗稱能者多勞,扶貧救弱。

  • 優點:動態,實時變化,控制的粒度更細,跟靈敏;
  • 缺點:復雜度更高,每次需要計算請求的響應速度;
  • 實現:可以根據響應時間進行打分,計算權重。

【10.2.3】觀察模式法:

觀察者模式是綜合了最小連接數和最快響應度,同時考量這兩個指標數,進行一個權重的分配。

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評論 1
感謝您的分享。最近我也在學習相關的負載均衡技術。對于您所說的二層負載,即 VIP 這種類似的負載方式,請問您所說的鏈路聚合技術帶來的帶寬增加是不是只能在出口流量遠大于進口流量的情況下,如果是類似直播設備上報視頻這種情況請問有沒有相應的負載或者其他技術來保證呢?

再次感謝您的分享。
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