F5负载均衡原理

一、 负载均衡技术                                                                                                                                                    

负载均衡技术在现有网络结构之上提供了一种廉价、有效、透明的方法，来扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。

1、负载均衡发生的流程图：

 

1. 客户发出服务请求到VIP 

2. BIGIP接收到请求，将数据包中目的IP地址改为选中的后台服务器IP地址，然后将数据包发出到后台选定的服务器 

3. 后台服务器收到后，将应答包按照其路由发回到BIGIP 

4. BIGIP收到应答包后将其中的源地址改回成VIP的地址，发回客户端，由此就完成了一个标准的服务器负载平衡的流程。

 

2、负载平衡典型流程 

  通过VIP来截获合适的需要负载平衡的流量

·服务器监控和健康检查,随时了解服务器群的可用性状态

·负载均衡和应用交换功能,通过各种策略导向到合适的服务器

 

2．1   通过VIP来截获合适的需要负载平衡的流量 

在BIGIP上通过设置VIP来截获需要进行负载平衡的流量，这个VIP地址可以是一个独立的主机地址和端口的组合（例如：202.101.112.115:80）也可以是一个网络地址和端口的组合（例如：202.101.112.0:80），当流量经过BIGIP的时候，凡是命中VIP的流量都将被截获并按照规则进行负载平衡。 

 

2．2    服务器的健康监控和检查  

服务器 (Node) -Ping (ICMP) 

BIGIP可以定期的通过ICMP包对后台服务器的IP地址进行检测，如果在设定的时间内能收到该地址的ICMP的回应，则认为该服务器能提供服务  

服务 (Port) – Connect 

BIGIP可以定期的通过TCP包对后台服务器的服务端口进行检测，如果在设定的时间内能收到该服务器端口的回应，则认为该服务器能提供服务  

扩展内容查证(ECV:Extended Content Verification)—ECV 

ECV是一种非常复杂的服务检查，主要用于确认应用程序能否对请求返回对应的数据。如果一个应用对该服务检查作出响应并返回对应的数据，则BIG/IP控制器将该服务器标识为工作良好。如果服务器不能返回相应的数据，则将该服务器标识为宕机。宕机一旦修复，BIG/IP就会自动查证应用已能对客户请求作出正确响应并恢复向该服务器传送。该功能使BIG/IP可以将保护延伸到后端应用如Web内容及数据库。BIG/ip的ECV功能允许您向Web服务器、防火墙、缓存服务器、代理服务器和其它透明设备发送查询，然后检查返回的响应。这将有助于确认您为客户提供的内容正是其所需要的。  

扩展应用查证(EAV:Extended Application Verification) 

EAV是另一种服务检查，用于确认运行在某个服务器上的应用能否对客户请求作出响应。为完成这种检查，BIG/IP控制器使用一个被称作外部服务检查者的客户程序，该程序为BIG/IP提供完全客户化的服务检查功能，但它位于BIG/IP控制器的外部。例如，该外部服务检查者可以查证一个Internet或Intranet上的从后台数据库中取出数据并在HTML网页上显示的应用能否正常工作。EAV是BIG/IP提供的非常独特的功能，它提供管理者将BIG/IP客户化后访问各种各样应用的能力，该功能使BIG/IP在提供标准的可用性查证之外能获得服务器、应用及内容可用性等最重要的反馈。该功能对于电子商务和其它应用至关重要，它用于从客户的角度测试您的站点。例如，您可以模拟客户完成交易所需的所有步骤－连接到站点、从目录中选择项目以及验证交易使用的信用卡。一旦BIG/ip掌握了该“可用性”信息，即可利用负载平衡使资源达到最高的可用性。   

BIG/IP已经为测试Internet服务的健康情况和状态，预定义的扩展应用验证(EAV)，它有二种用户界面：浏览器和CLI配置。BIG/IP预定义的应用检查：FTP、NNTP、SMTP、POP3和MSSQL。

 

二、 负载均衡的分类:                                                                                                                                                                                   

负载均衡的应用相对其他网络技术来说面会窄很多,从技术的角度上,负载均衡分为三类:

1.对链路的负载均衡 

对链路的负载均衡主要是指应用方有多条ISP网络出口,比方说电信+网通,电信+铁通等,对链路的负载均衡也是解决目前电信网通互联互通的最专业的技术.其实现的原理是根据负载均衡算法来算出,到目标地址的数据从哪条链路出去延迟最小,那么该条链路将被优先选择.这一点是负载均衡设备区别于策略路由+IP地址库实现网通电信路由选择的地方.

2. 对服务器的负载均衡 

从严格的意义上来将,对服务器的负载均衡是对相同应用的负载均衡,而跟服务器本身没有太大的关系。只有相同的应用，才存在负载均衡的概念,不同的应用间是不能做负载均衡的.比方说,我们有FTP SERVER和WEB SERVER各一台,那么这两台SERVER间就不存在负载均衡的应用.目前所有负载均衡的厂商实现对服务器的负载均衡都是基于虚拟IP技术的,负载均衡设备对服务器进行健康检查,然后把检查结果列入设备服务器状态列表里,根据这个检查结果来决定一个请求发送到哪台服务器效果最好,应用广泛的就是F5的LTM系列. 

F5-BIG-LTM-3600-4G-R

3. 对广域网的负载均衡  

对广域网的负载均衡主要是应用到一些大的网站上,也有人称其为异地负载均衡.比方说,我们有两台WEB服务器,一台在北京IDC机房(网通),一台在广州IDC机房(电信),两台WEB服务器内容是一样的.那么对这两台服务器来做负载均衡就是一种广域网负载均衡.应用比较广泛的是F5的3DNS设备.  

 

三.负载均衡的算法                                                                                                                                                      

负载均衡设备本身都是以负载均衡算法为基础的,负载均衡算法分为两种:静态负载均衡算法和动态负载均衡算法.  

轮询（RoundRobin）：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，BIGIP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，BIGIP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，BIGIP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，BIGIP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。   

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，BIGIP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，BIGIP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，BIGIP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）：BIGIP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BIGIP进行检测) 

动态性能分配（DynamicRatio-APM):BIGIP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（DynamicServer 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）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，用户可自行编辑流量分配规则，BIGIP利用这些规则对通过的数据流实施导向控制。