网络负载平衡(Network Load Balancing)的工作原理

最近正在研究如何把CSDN的论坛WEB服务器实现负载平衡(NLB)。下面就是我整理资料笔记:

NLB 的工作原理

NLB算法的特点:

  • 在NLB群集中,每台服务器都会有一个属于自己的静态IP地址,同时NLB群集中的所有服务器还有一个共同的IP地址—NLB群集地址;
  • 当客户向NLB群集(NLB的虚拟IP地址)发起请求时,其实客户的请求数据包是发送到所有的NLB节点(即:NLB算法需要NLB群集中的所有主机都能看到发往群集的每一个数据包。),然后运行在NLB节点上的NLB服务根据同样的NLB算法来确定是否应该由自己进行处理,如果不是则丢弃客户的请求数据包,如果是则进行处理。 
  • 网络负载平衡使得单个子网上的所有群集主机可以同时检测群集 IP 地址的传入网络通信。在每个群集主机上,网络负载平衡驱动程序充当群集适配器驱动程序和 TCP/IP 堆栈间的过滤器,以便在主机间分配通信。

要确保上面算法的特点,单播(Unicast ),多播(Multicast)实现NLB就会有以下的特点:

NLB中的单播(Unicast)

      在单播模式下,NLB重新对每个NLB节点中启用NLB的网络适配器分配MAC地址(此MAC地址称为群集MAC地址),并且所有的NLB节点均使用相同的MAC地址(均使用群集MAC地址),同时NLB修改所有发送的数据包中的源MAC地址,确保使交换机不能将此群集MAC地址绑定在某个端口上。

      工作在单播模式下的NLB可以在所有网络环境下正常运行,但是由于它的工作特性,具有以下两个限制:

  • 由于NLB所使用的群集MAC地址没有绑定在某个具体的交换机端口上,所以所有的NLB通讯均通过在交换机的所有端口上广播进行,而不管此端口是否连接了NLB节点,这造成了额外的网络流量负担;
  • 由于所有的NLB节点具有相同的MAC地址,NLB节点之间不能通过自己原有的专用IP地址进行通讯。

     单播模式的优点也很明显:它可以无缝地与大多数路由器和交换机协同工作。

     如下图所示:

网络负载平衡(Network Load Balancing)的工作原理_第1张图片

单播的其他注意项:

  • 在Windows server 2003 SP1中,微软修改了NLB单播模式的驱动,从而支持阵列成员通过自己原有的专用IP地址进行通讯,详细信息请参见KB898867,Unicast NLB nodes cannot communicate over an NLB-enabled network adaptor in Windows Server 2003。
  • 若我们在NLB创建时选择单播的模式,在“群集IP配置”中的“网络地址”是以“02 - BF”开头,后面紧跟IP地址的十六进制表示,该网络地址与实际主机的MAC地址相同,后续加入的主机也将修改为此MAC地址。

参考:

单播模式下的单个网络适配器
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc757150.aspx
单播模式下的多个网络适配器
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc786134.aspx

NLB中的多播(Multicast)

      在多播模式下,NLB不会修改NLB节点启用NLB的网络适配器的MAC地址,而是为它再分配一个二层多播MAC地址专用于NLB的通讯(此MAC地址称为群集MAC地址),这样NLB节点之间可以通过自己原有的专用IP地址进行通讯。

      但是在多播模式中,NLB节点发送的针对群集IP地址MAC地址ARP(Address Resolution Protocol,地址解析协议)请求的ARP回复会将群集IP地址映射到多播MAC地址,而许多路由器或者交换机(包括CISCO的产品)会拒绝这一行为。当出现这种情况时,你必须在路由器和交换机上手动添加静态映射,将群集IP地址映射到群集的多播MAC地址。

        这种模式的优点是可以通过在交换机的“内容可寻址存储器”(CAM) 表中创建静态项,从而使得入站流量仅到达群集中的主机。

      还有一个缺点就是很多路由器不会自动将单播 IP 地址(群集的虚拟 IP 地址)与多播 MAC 地址关联起来。如果进行静态配置的话,一些路由器可以存在这种关联。若我们在NLB创建时选择多播的模式,在“群集IP配置”中的“网络地址”是以“03 -BF”开头,后面紧跟IP地址的十六进制表示。

      如下图所示:

 

 

网络负载平衡(Network Load Balancing)的工作原理_第2张图片

 

 

IGMP Multicast(IGMP多播)

      NLB算法需要NLB群集中的所有主机都能看到发往群集的每一个数据包。NLB不允许交换机将群集的MAC地址关联到交换机的某个特定端口,从而实现了这个目的。但是,这种做法也会带来不想要的副作用,就是发往NLB群集的所有数据包会在交换机上的所有端口上造成数据“洪水”。这不仅非常麻烦,而且必将会造成网络资源的浪费。

      为了解决这个问题,一个被称作IGMP支持的新特性被引入到了Windows Server 2003之中。该特性有助于将数据“洪水”限制到交换机上与NLB计算机相连接的端口上。通过这种方式,非NLB的计算机不会看到发往NLB群集的数据,而与此同时,所有的NLB计算机都可以看到发往群集的数据,因此满足了NBL算法的要求。但是,应该指出的是:IGMP支持只有在NLB被配置多播(multicast)模式时才能启用。

      在选择多播模式时,后面还有个复选项“IGMP Multicast(IGMP多播)”,若复选此项,就像多播操作模式一样,NLB 保留原厂 MAC 地址不变,但是向网络适配器中增加了一个 IGMP 多播地址。此外,NLB 主机会发出这个组的 IGMP 加入消息。如果交换机探测到这些消息,它可以使用所需的多播地址来填充自己的 CAM 表,这样入站流量就不会扩散到 VLAN 上的所有端口。这是这种群集模式的主要优点。缺点是有一些交换机不支持 IGMP 探测。除此之外,路由器仍然支持单播 IP 地址到多播 MAC 地址的转换。在IGMP多播模式下,将采用“01 – 00 - 5E”开头的MAC地址。在多播的模式下,实体主机之间可以互相通信。

如下图所示:

网络负载平衡(Network Load Balancing)的工作原理_第3张图片

 

NLB对路由器的要求

当群集已配置为在多播模式下工作时,如果网络负载平衡客户端正在通过路由器访问一个群集,请确保路由器满足以下要求:

  • 接受地址解析协议 (ARP) 应答,此应答在 ARP 结构的有效负载部分有一个媒体访问控制 (MAC) 地址,但正如以太网报头所确定的,它看上去像来自具有另一个 MAC 地址的站点。
  • 接受单播 IP 地址的 ARP 应答,此应答在其 ARP 结构的有效负载部分有一个多播 MAC 地址。

单播模式对路由器没有要求。

 

 

参考:

多播模式下的单个网络适配器
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc759683.aspx

多播模式下的多个网络适配器
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc779600.aspx

 

附:单播(Unicast),多播(Multicast),广播(Broadcast) 的区别:

单播:

主机之间“一对一”的通讯模式,网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据,则服务器需要逐一传送,重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应,所以现在的网页浏览全部都是采用IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径,将IP单播数据传送到其指定的目的地。
单播的优点:
1. 服务器及时响应客户机的请求
2. 服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据,容易实现个性化服务。
单播的缺点:
1. 服务器针对每个客户机发送数据流,服务器流量=客户机数量×客户机流量;在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。
2. 现有的网络带宽是金字塔结构,城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5%。如果全部使用单播协议,将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞,只要有5%的客户在全速使用网络,其他人就不要玩了。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

多播(组播):

主机之间“一对一组”的通讯模式,也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据,网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组,网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据,即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要(加入组)的主机,又能保证不影响其他不需要(未加入组)的主机的其他通讯。
组播的优点:
1. 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流,节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。
2. 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发,所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个(268435456)组播,所以其提供的服务可以非常丰富。
3. 此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。
组播的缺点:
1.与单播协议相比没有纠错机制,发生丢包错包后难以弥补,但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。
2.现行网络虽然都支持组播的传输,但在客户认证、QOS等方面还需要完善,这些缺点在理论上都有成熟的解决方案,只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

广播:

主机之间“一对所有”的通讯模式,网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发,所有主机都可以接收到所有信息(不管你是否需要),由于其不用路径选择,所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络,我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号,但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在,但其被限制在二层交换机的局域网范围内,禁止广播数据穿过路由器,防止广播数据影响大面积的主机。
广播的优点:
1. 网络设备简单,维护简单,布网成本低廉
2. 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据,所以服务器流量负载极低。
广播的缺点:
1.无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
2. 网络允许服务器提供数据的带宽有限,客户端的最大带宽=服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道(如果采用数字压缩技术,理论上可以提供500个频道),即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干,也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。
3. 广播禁止在Internet宽带网上传输。

参考资料: 

Load Balancing and ASP.NET
http://www.hanselman.com/blog/LoadBalancingAndASPNET.aspx

Web Farming with the Network Load Balancing Service in Windows Server 2003
http://www.west-wind.com/presentations/loadbalancing/NetworkLoadBalancingWindows2003.asp

网络负载平衡算法 Works 内部怎样
http://support.microsoft.com/kb/556068/zh-cn?spid=3198&sid=770

WEB farm - Load Balancing in Asp.net
http://www.c-sharpcorner.com/UploadFile/gopenath/Page107182007032219AM/Page1.aspx

How to test web load balance
http://www.cnblogs.com/oscarxie/archive/2008/05/20/1203157.html

将asp.net迁移到Load Balance和NAS上的步骤
http://blog.joycode.com/hopeq/archive/2006/03/29/73762.aspx

微软知识库中的关于负载均衡的HowTo文章汇总
http://support.microsoft.com/ph/3198/zh-cn?sid=770&aid=1&GSA_AC_More1

TechNet 关于 网络负载平衡群集  的内容
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/cc759510.aspx     中文
http://technet.microsoft.com/en-us/library/cc759510.aspx     英文

下面文章中间谈到了负载均衡的工作原理
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/aa998796%28EXCHG.65%29.aspx

NLB配置中单播与多播区别
http://hi.baidu.com/hneli/blog/item/656725d3e5471433970a16bd.html

NLB群集
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b611a45010009hh.html

Using NLB with ISA Server Part 2: Layer 2 Fun with Unicast and Multicast Modes
http://www.isaserver.org/articles/basicnlbpart2.html

IP多播概述
http://www.microsoft.com/china/technet/community/columns/cableguy/cg0202.mspx

TCP/IP学习笔记之九 --- 广播和多播
http://blog.csdn.net/kmajian/archive/2008/11/27/3389667.aspx

网络负载平衡关键特性
http://technet.microsoft.com/en-us/library/cc758275.aspx

Network Load Balancing
http://www.msxfaq.de/verschiedenes/nlb.htm

Network Load Balancing Technical Overview
http://technet.microsoft.com/zh-cn/library/bb742455(en-us).aspx

网络技术基础知识一之ARP协议概说
http://cisco.chinaitlab.com/TCP/38035.html

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