负载均衡

负载均衡
介绍
假如我们刚刚上线一个网站,最多只有 10 个人同时访问,那么只需要把网站放到一台服务器上就够了,又叫 单机部署 :

随着我们网站的不断宣传,可能出现上万用户同时访问的情况。由于一台服务器的 CPU、内存、带宽等资源都是有限的,无法同时支撑那么多用户。因此可能需要多台服务器一起来扛,分摊用户的请求,你一半我一半,又叫 集群部署:

但这样有个问题,每个服务器都有一个不同的 IP 地址,想把用户的请求分摊到不同的服务器上,总不能让用户自己去输入不同的 IP 访问吧?

因此,我们还需要一台 代理服务器 ,对外提供 唯一 的入口,统一 接受用户的请求。再根据请求(或流量)的 特征 ,依据一定的 算法 ,将请求转发到内部的服务器集群中,如图:

这样对于用户来说,始终通过一个域名访问网站即可,他完全感知不到你的网站到底部署到多少台服务器上、也不关心它是如何部署的。

这便是 负载均衡(Load Balancing 简称 LB),是企业中最重要的高并发解决方案之一。

作用
负载均衡最直观的作用就是提高系统的并发度,说人话就是允许更多人同时访问了。

它还可以提高整个系统的可用性,假如集群中有一台服务器挂了,代理服务器只要不再把请求转发给它就行了,集群中的其他服务器仍然能够正常地接受和处理请求。

此外,负载均衡还能够减少用户等待响应的时间、通过并行提高整个系统的处理能力等。

分类
虽然通过代理服务器转发请求能够提升整个系统的并发访问数,但不要忘了,代理服务器本身的资源也是有限的啊!像比较常用的 Nginx 代理,能有个几万并发就撑死了。如果同时访问的用户量再大一点,不就忍不下了么?!

而且代理服务器也存在挂掉的可能性,一旦它挂了,后果不堪设想。

因此,我们可以将负载均衡进行分类,针对不同的场景来选择相对合适的实现方式。

比较常见的分类方法是:根据 计算机网络七层模型 ,按照负载均衡所属的网络层次去区分。

下面这张计算机网络模型图还是很棒的:

有关计算机网络的知识非本文重点,大家可以自行去了解,不懂也没关系,可以接着往下看。

无论是哪层负载均衡,都需要有代理服务器,并且对外提供唯一的 IP 地址,然后根据算法将请求转发到目标服务器(实际处理请求的服务器)。只不过实现转发的原理和逻辑不同罢了。

二层负载均衡
二层指数据链路层,数据以数据帧的形式通过交换机进行传输。

这一层是没有 IP 地址概念的,只能用 MAC 地址对机器进行区分。因此负载均衡服务器会通过一个虚拟 MAC 地址接受请求,并通过改写报文目标 MAC 地址的方式将请求转发到具有不同 MAC 地址的目标机器。

二层负载均衡最原始、性能极高。但只能通过硬件设备实现,比如 F5、Array 等,价格十分昂贵。

主要的底层实现方式就是 PPP 捆绑和链路聚合技术,这里不做赘述,对于开发同学来说,大家一般也接触不到二层负载均衡。

三层负载均衡
三层即网络层,这一层开始有了 IP 地址的概念,可以根据 IP 地址路由网络。

这一层的负载均衡设备会对外提供一个虚拟的 IP 地址(VIP)以接收请求,然后根据算法将请求转发到 IP 地址不同的目标机器。

和二层一样,三层负载均衡也是通过硬件设备实现,成本也比较高。

四层负载均衡
四层即传输层,除了包含三层的 IP 地址信息之外,还多了源目端口号的概念,可以区分同一机器上不同的应用。

由于得到了更多的信息,这一层的负载均衡会更加灵活,对外提供一个虚拟的 IP 地址 + 端口号来接收请求,然后根据算法将请求转发到不同目标机器的不同端口上。

四层负载均衡可以通过软件实现,比如主流且开源的 LVS(Linux Virtual Server),底层可选多种负载模式,比如 NAT(网络地址转换)、DR(直接路由)、TUN(隧道)。

四层负载均衡的优点是:一方面是性能很高、比较稳定,支撑个十几万、几十万并发不成问题;另一方面是成本低、纯软件实现,因此在企业中的应用很广泛。

七层负载均衡
七层指应用层,是计算机网络模型的最上层,因此能得到请求最为详细的信息,比如 HTTP 请求头等。

可以根据域名或主机 IP + 端口接收请求,并通过应用层信息(请求头、Cookie 等)灵活地转发请求,比如将手机端用户转发到服务器 A、桌面端用户转发到服务器 B 等。

这种方式实现成本最低,也最为灵活,因此也是我们应用开发人员最常用的了。

实现方式多种多样,比如主流的 Nginx、HAProxy 都可以,写个配置基本就能转发请求了,大部分情况下性能也够用了。

再提一下所属于这层的 DNS 负载均衡 ,基于 DNS 域名解析服务,可以将同一个域名解析为不同的 IP 地址,从而让用户访问到不同服务器上的项目。

这种方式实现起来不难,但转发逻辑不够灵活,而且 DNS 存在缓存,不利于修改。
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原创文章,作者:Zhu, Yuanyuan,如若转载,请注明出处:https://www.yidc.net/archives/18313