负载均衡实现原理

    负载均衡有硬件和软件两种.硬件层的比较牛逼,将4-7层负载均衡功能做到一个硬件里面,如F5,梭子鱼,据说yahoo中国!早些时候只用了两台F5做双活.目前主流的软件负载均衡分为四层和七层,LVS属于四层负载均衡,工作在tcp/ip协议栈上,通过修改网络包的ip地址和端口来转发, 由于效率比七层高,一般放在架构的前端.七层的负载均衡有nginx, haproxy, apache等, 工作在应用层,因此可以将HTTP请求等应用数据发送到具体的应用服务器。

     所谓四层就是基于IP+端口的负载均衡；七层就是基于URL等应用层信息的负载均衡；同理，还有基于MAC地址的二层负载均衡和基于IP地址的三层负载均衡。 换句换说，二层负载均衡会通过一个虚拟MAC地址接收请求，然后再分配到真实的MAC地址；三层负载均衡会通过一个虚拟IP地址接收请求，然后再分配到真实的IP地址；四层通过虚拟IP+端口接收请求，然后再分配到真实的服务器，七层通过虚拟的URL或主机名接收请求，然后再分配到真实的服务器。所谓的四到七层负载均衡，就是在对后台的服务器进行负载均衡时，依据四层的信息或七层的信息来决定怎么样转发流量。 比如四层的负载均衡，就是通过发布三层的IP地址（VIP），然后加四层的端口号，来决定哪些流量需要做负载均衡，对需要处理的流量进行NAT处理，转发至后台服务器，并记录下这个TCP或者UDP的流量是由哪台服务器处理的，后续这个连接的所有流量都同样转发到同一台服务器处理。七层的负载均衡，就是在四层的基础上（没有四层是绝对不可能有七层的），再考虑应用层的特征，比如同一个Web服务器的负载均衡，除了根据VIP加80端口辨别是否需要处理的流量，还可根据七层的URL、浏览器类别、语言来决定是否要进行负载均衡。举个例子，如果你的Web服务器分成两组，一组是中文语言的，一组是英文语言的，那么七层负载均衡就可以当用户来访问你的域名时，自动辨别用户语言，然后选择对应的语言服务器组进行负载均衡处理。负载均衡器通常称为四层交换机或七层交换机。四层交换机主要分析IP层及TCP/UDP层，实现四层流量负载均衡。七层交换机除了支持四层负载均衡以外，还有分析应用层的信息，如HTTP协议URI或Cookie信息。这里我们主要谈一下软件负载均衡中的我们最常用的四层个七层负载均衡。

     所谓四层负载均衡，也就是主要通过报文中的目标地址和端口，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。以常见的TCP为例，负载均衡设备在接收到第一个来自客户端的SYN 请求时，即通过上述方式选择一个最佳的服务器，并对报文中目标IP地址进行修改(改为后端服务器IP），直接转发给该服务器。TCP的连接建立，即三次握手是客户端和服务器直接建立的，负载均衡设备只是起到一个类似路由器的转发动作。在某些部署情况下，为保证服务器回包可以正确返回给负载均衡设备，在转发报文的同时可能还会对报文原来的源地址进行修改。

      所谓七层负载均衡，也称为“内容交换”，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。以常见的TCP为例，负载均衡设备如果要根据真正的应用层内容再选择服务器，只能先代理最终的服务器和客户端建立连接(三次握手)后，才可能接受到客户端发送的真正应用层内容的报文，然后再根据该报文中的特定字段，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。负载均衡设备在这种情况下，更类似于一个代理服务器。负载均衡和前端的客户端以及后端的服务器会分别建立TCP连接。所以从这个技术原理上来看，七层负载均衡明显的对负载均衡设备的要求更高，处理七层的能力也必然会低于四层模式的部署方式。

  

静态负载均衡算法包括：轮询，比率，优先权
动态负载均衡算法包括: 最少连接数,最快响应速度，观察方法，预测法，动态性能分配，动态服务器补充，服务质量，服务类型，规则模式。
静态负载均衡算法
    轮询（Round Robin）：顺序循环将请求一次顺序循环地连接每个服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG-IP 就把其从顺序循环队列中拿出，不参加下一次的轮询，直到其恢复正常。
    比率（Ratio）：给每个服务器分配一个加权值为比例，根椐这个比例，把用户的请求分配到每个服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG-IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配, 直到其恢复正常。
    优先权（Priority）：给所有服务器分组,给每个组定义优先权，BIG-IP 用户的请求，分配给优先级最高的服务器组（在同一组内，采用轮询或比率算法，分配用户的请求）；当最高优先级中所有服务器出现故障，BIG-IP 才将请求送给次优先级的服务器组。这种方式，实际为用户提供一种热备份的方式。
动态负载均衡算法
    最少的连接方式（Least Connection）：传递新的连接给那些进行最少连接处理的服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG-IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配, 直到其恢复正常。
    最快模式（Fastest）：传递连接给那些响应最快的服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG-IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配，直到其恢复正常。
    观察模式（Observed）：连接数目和响应时间以这两项的最佳平衡为依据为新的请求选择服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG-IP就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配，直到其恢复正常。
    预测模式（Predictive）：BIG-IP利用收集到的服务器当前的性能指标，进行预测分析，选择一台服务器在下一个时间片内，其性能将达到最佳的服务器相应用户的请求。(被BIG-IP 进行检测)
    动态性能分配(Dynamic Ratio-APM):BIG-IP 收集到的应用程序和应用服务器的各项性能参数，动态调整流量分配。
    动态服务器补充(Dynamic Server Act.):当主服务器群中因故障导致数量减少时，动态地将备份服务器补充至主服务器群。
    服务质量(QoS）:按不同的优先级对数据流进行分配。
    服务类型(ToS): 按不同的服务类型（在Type of Field中标识）负载均衡对数据流进行分配。
    规则模式：针对不同的数据流设置导向规则，用户可自行。

    尽管有多种的负载均衡算法可以较好的把数据流量分配给服务器去负载，但如果负载均衡策略没有对网络系统状况的检测方式和能力，一旦在某台服务器或某段负载均衡设备与服务器网络间出现故障的情况下，负载均衡设备依然把一部分数据流量引向那台服务器，这势必造成大量的服务请求被丢失，达不到不间断可用性的要求。所以良好的负载均衡策略应有对网络故障、服务器系统故障、应用服务故障的检测方式和能力：
　Ping侦测：通过ping的方式检测服务器及网络系统状况，此种方式简单快速，但只能大致检测出网络及服务器上的操作系统是否正常，对服务器上的应用服务检测就无能为力了。
　TCP Open侦测：每个服务都会开放某个通过TCP连接，检测服务器上某个TCP端口（如Telnet的23口，HTTP的80口等）是否开放来判断服务是否正常。
　HTTP URL侦测：比如向HTTP服务器发出一个对main.html文件的访问请求，如果收到错误信息，则认为服务器出现故障。
　负载均衡策略的优劣除受上面所讲的两个因素影响外，在有些应用情况下，我们需要将来自同一客户端的所有请求都分配给同一台服务器去负担，例如服务器将客户端注册、购物等服务请求信息保存的本地数据库的情况下，把客户端的子请求分配给同一台服务器来处理就显的至关重要了。有两种方式可以解决此问题，一是根据IP地址把来自同一客户端的多次请求分配给同一台服务器处理，客户端IP地址与服务器的对应信息是保存在负载均衡设备上的；二是在客户端浏览器 cookie内做独一无二的标识来把多次请求分配给同一台服务器处理，适合通过代理服务器上网的客户端。
　还有一种路径外返回模式（Out of Path Return），当客户端连接请求发送给负载均衡设备的时候，中心负载均衡设备将请求引向某个服务器，服务器的回应请求不再返回给中心负载均衡设备，即绕过流量分配器，直接返回给客户端，因此中心负载均衡设备只负责接受并转发请求，其网络负担就减少了很多，并且给客户端提供了更快的响应时间。此种模式一般用于HTTP服务器群，在各服务器上要安装一块虚拟网络适配器，并将其IP地址设为服务器群的VIP，这样才能在服务器直接回应客户端请求时顺利的达成三次握手。

    负载均衡实施要素负载均衡方案应是在网站建设初期就应考虑的问题，不过有时随着访问流量的爆炸性增长，超出决策者的意料，这也就成为不得不面对的问题。当我们在引入某种负载均衡方案乃至具体实施时，像其他的许多方案一样，首先是确定当前及将来的应用需求，然后在代价与收效之间做出权衡。针对当前及将来的应用需求，分析网络瓶颈的不同所在，我们就需要确立是采用哪一类的负载均衡技术，采用什么样的均衡策略，在可用性、兼容性、安全性等等方面要满足多大的需求，如此等等。 不管负载均衡方案是采用花费较少的软件方式，还是购买代价高昂在性能功能上更强的第四层交换机、负载均衡器等硬件方式来实现，亦或其他种类不同的均衡技术，下面这几项都是我们在引入均衡方案时可能要考虑的问题：
　性能：性能是我们在引入均衡方案时需要重点考虑的问题，但也是一个最难把握的问题。衡量性能时可将每秒钟通过网络的数据包数目做为一个参数，另一个参数是均衡方案中服务器群所能处理的最大并发连接数目，但是，假设一个均衡系统能处理百万计的并发连接数，可是却只能以每秒2个包的速率转发，这显然是没有任何作用的。性能的优劣与负载均衡设备的处理能力、采用的均衡策略息息相关，并且有两点需要注意：一、均衡方案对服务器群整体的性能，这是响应客户端连接请求速度的关键；二、负载均衡设备自身的性能，避免有大量连接请求时自身性能不足而成为服务瓶颈。有时我们也可以考虑采用混合型负载均衡策略来提升服务器群的总体性能，如DNS负载均衡与NAT负载均衡相结合。另外，针对有大量静态文档请求的站点，也可以考虑采用高速缓存技术，相对来说更节省费用，更能提高响应性能；对有大量ssl/xml内容传输的站点，更应考虑采用ssl/xml加速技术。
　可扩展性：IT技术日新月异，一年以前最新的产品，现在或许已是网络中性能最低的产品；业务量的急速上升，一年前的网络，现在需要新一轮的扩展。合适的均衡解决方案应能满足这些需求，能均衡不同操作系统和硬件平台之间的负载，能均衡HTTP、邮件、新闻、代理、数据库、防火墙和 Cache等不同服务器的负载，并且能以对客户端完全透明的方式动态增加或删除某些资源。
　灵活性：均衡解决方案应能灵活地提供不同的应用需求，满足应用需求的不断变化。在不同的服务器群有不同的应用需求时，应有多样的均衡策略提供更广泛的选择。
　可靠性：在对服务质量要求较高的站点，负载均衡解决方案应能为服务器群提供完全的容错性和高可用性。但在负载均衡设备自身出现故障时，应该有良好的冗余解决方案，提高可靠性。使用冗余时，处于同一个冗余单元的多个负载均衡设备必须具有有效的方式以便互相进行监控，保护系统尽可能地避免遭受到重大故障的损失。
　易管理性：不管是通过软件还是硬件方式的均衡解决方案，我们都希望它有灵活、直观和安全的管理方式，这样便于安装、配置、维护和监控，提高工作效率，避免差错。在硬件负载均衡设备上，目前主要有三种管理方式可供选择：一、命令行接口（CLI：Command Line Interface），可通过超级终端连接负载均衡设备串行接口来管理，也能telnet远程登录管理，在初始化配置时，往往要用到前者；二、图形用户接口（GUI：Graphical User Interfaces），有基于普通web页的管理，也有通过Java Applet 进行安全管理，一般都需要管理端安装有某个版本的浏览器；三、SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）支持，通过第三方网络管理软件对符合SNMP标准的设备进行管理。