一、什么是負載均衡

Load balancing，即負載均衡，是一種計算機技術，用來在多個計算機（計算機集群）、網絡連接、CPU、磁盤驅動器或其他資源中分配負載，以達到最優化資源使用、最大化吞吐率、最小化響應時間、同時避免過載的目的。它將負載（工作任務，訪問請求）進行平衡、分攤到多個操作單元（服務器，組件）上進行執行。是解決高性能，單點故障（高可用），擴展性（水平伸縮）的終極解決方案，具體模式如下圖：

二、負載均衡的分類

首先我們來看看OSI七層模型

數據在網絡中傳輸，是離不開各層協議的。我們可以很明確的一點是，負載均衡是要在網絡傳輸中做文章的。而要在網絡傳輸過程搞事情，那么這七層模型就勢必躲不開。

大致可以分為以下幾種，其中最常用的是四層和七層負載均衡：

二層負載均衡

負載均衡服務器對外依然提供一個VIP（虛IP），集群中不同的機器采用相同IP地址，但是機器的MAC地址不一樣。當負載均衡服務器接受到請求之后，通過改寫報文的目標MAC地址的方式將請求轉發到目標機器實現負載均衡。

三層負載均衡

和二層負載均衡類似，負載均衡服務器對外依然提供一個VIP（虛IP），但是集群中不同的機器采用不同的IP地址。當負載均衡服務器接受到請求之后，根據不同的負載均衡算法，通過IP將請求轉發至不同的真實服務器。

四層負載均衡

四層負載均衡工作在OSI模型的傳輸層，由于在傳輸層，只有TCP/UDP協議，這兩種協議中除了包含源IP、目標IP以外，還包含源端口號及目的端口號。四層負載均衡服務器在接受到客戶端請求后，以后通過修改數據包的地址信息（IP+端口號）將流量轉發到應用服務器。

七層負載均衡

七層負載均衡工作在OSI模型的應用層，應用層協議較多，常用http、radius、dns等。七層負載就可以基于這些協議來負載。這些應用層協議中會包含很多有意義的內容。比如同一個Web服務器的負載均衡，除了根據IP加端口進行負載外，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。

三、常用的負載策略

負載均衡服務器在決定將請求轉發到具體哪臺真實服務器的時候，是通過負載均衡算法來實現的。負載均衡算法，是一個負載均衡服務器的核心。

就好像在交通堵塞時，交警在十字路口指揮一樣，他會根據當前情況指揮不同的車輛往不同的方向走，有時即便你不想走也不得不走。

負載均衡算法可以分為兩類：靜態負載均衡算法和動態負載均衡算法。

（1）靜態負載均衡算法包括：輪詢，比率，優先權，算法分配

01輪詢（Round Robin）：順序循環將請求一次順序循環地連接每個服務器。當其中某個服務器發生第2到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從順序循環隊列中拿出，不參加下一次的輪詢，直到其恢復正常。

02比率（Ratio）：給每個服務器分配一個加權值為比例，根椐這個比例，把用戶的請求分配到每個服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配, 直到其恢復正常。

03優先權（Priority）：給所有服務器分組,給每個組定義優先權，BIG-IP 用戶的請求，分配給優先級最高的服務器組（在同一組內，采用輪詢或比率算法，分配用戶的請求）；當最高優先級中所有服務器出現故障，BIG-IP 才將請求送給次優先級的服務器組。這種方式，實際為用戶提供一種熱備份的方式。

04算法分配：一般采用散列算法，通過客戶端帶來的某個標識經過一個標準化的散列函數進行打散分攤。

（2）動態負載均衡算法包括: 最少連接數,最快響應速度，觀察方法，預測法，動態性能分配，動態服務器補充，服務質量，服務類型，規則模式。

01最少的連接方式（Least Connection）：傳遞新的連接給那些進行最少連接處理的服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配, 直到其恢復正常。

02最快模式（Fastest）：傳遞連接給那些響應最快的服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配，直到其恢復正常。

03觀察模式（Observed）：連接數目和響應時間以這兩項的最佳平衡為依據為新的請求選擇服務器。當其中某個服務器發生第二到第7 層的故障，BIG-IP就把其從服務器隊列中拿出，不參加下一次的用戶請求的分配，直到其恢復正常。

04預測模式（Predictive）：BIG-IP利用收集到的服務器當前的性能指標，進行預測分析，選擇一臺服務器在下一個時間片內，其性能將達到最佳的服務器相應用戶的請求。(被BIG-IP 進行檢測)

05動態性能分配(Dynamic Ratio-APM)：BIG-IP 收集到的應用程序和應用服務器的各項性能參數，動態調整流量分配。

06動態服務器補充(Dynamic Server Act.)：當主服務器群中因故障導致數量減少時，動態地將備份服務器補充至主服務器群。

07服務質量(QoS）：按不同的優先級對數據流進行分配。

08服務類型(ToS)：按不同的服務類型（在Type of Field中標識）負載均衡對數據流進行分配。

09規則模式：針對不同的數據流設置導向規則，用戶可自行。

常用算法的場景和優缺點：

四、常用工具

市面上有很多開源的負載均衡的工具或軟件，基本都是基于前面提到的方案實現的，大多數是工作在第七層和第四層的。Nginx/LVS/HAProxy是目前使用最廣泛的三種負載均衡軟件。

LVS ：LVS主要用來做四層負載均衡

LVS（Linux Virtual Server），也就是Linux虛擬服務器, 是一個由章文嵩博士發起的自由軟件項目。使用LVS技術要達到的目標是：通過LVS提供的負載均衡技術和Linux操作系統實現一個高性能、高可用的服務器群集，它具有良好可靠性、可擴展性和可操作性。從而以低廉的成本實現最優的服務性能。

Nginx ：Nginx主要用來做七層負載均衡

Nginx是一個網頁服務器，它能反向代理HTTP, HTTPS, SMTP, POP3, IMAP的協議鏈接，以及一個負載均衡器和一個HTTP緩存。。

HAProxy ：HAProxy主要用來做七層負載均衡

HAProxy是一個使用C語言編寫的自由及開放源代碼軟件，其提供高可用性、負載均衡，以及基于TCP和HTTP的應用程序代理。

五、健康探測

不管是什么樣的策略，難免會遇到機器故障或者程序故障的情況。所以要確保負載均衡能更好的起到效果，還需要結合一些「健康探測」機制。定時的去探測服務端是不是還能連上，響應是不是超出預期的慢。如果節點屬于“不可用”的狀態的話，需要將這個節點臨時從待選取列表中移除，以提高可用性。一般常用的「健康探測」方式有3種。

01 HTTP探測：使用Get/Post的方式請求服務端的某個固定的URL，判斷返回的內容是否符合預期。一般使用Http狀態碼、response中的內容來判斷。

02 TCP探測：基于Tcp的三次握手機制來探測指定的IP + 端口。最佳實踐可以借鑒阿里云的SLB機制。

03 UDP探測：可能有部分應用使用的UDP協議。在此協議下可以通過報文來進行探測指定的IP + 端口。結果的判定方式是：在服務端沒有返回任何信息的情況下，默認正常狀態。否則會返回一個ICMP的報錯信息。

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總結

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