负载均衡技术助力企业数字化转型和高可用架构实现

什么是高可用架构

**高可用架构是一种计算机系统设计方法，旨在确保系统能够持续运行并提供服务，即使在遇到硬件故障、软件错误、维护操作或任何计划内/计划外中断的情况下也能尽量减少服务中断时间。**这种架构通过引入冗余和故障转移机制来实现系统的稳定性和可靠性，以满足用户对服务连续性的需求。

通常采用百分比的方式来表示系统的高可用性等级，我们在生活中采用高可用概率=可用时间/总时间*100%来计算实现的高可用性等级。

要实现冗余和故障转移，不得不提到高可用架构中的一个关键特性：负载均衡。

什么是负载均衡

负载均衡（Load Balancing）是一种计算机网络技术和服务，它通过将来自客户端的网络流量或工作任务分配给多台服务器来优化资源使用、提升系统性能和确保服务高可用性。负载均衡器作为网络架构中的关键组件，能够根据预设策略智能地分散工作负载，防止任何单一服务器过载，从而提高整个系统的响应速度和稳定性。

在实际应用中，负载均衡可以通过以下方式实现：

• 轮询：按顺序将请求轮流分发到后端服务器。
• 权重分配：根据服务器处理能力的不同设置权重，将更多请求分配给处理能力强的服务器。
• 最少连接数：将新请求转发给当前连接数最少的服务器。
• IP哈希：基于客户端IP地址进行散列操作，确保相同客户端的请求被定向到同一服务器。
• 内容感知：考虑请求的具体内容，如URL路径、cookie等信息，进行更精细化的路由决策。
• 健康检查：定期检测后端服务器的状态，并仅将请求发送至健康的服务器。

当某个服务器发生故障时，负载均衡器会自动从服务器池中移除该故障服务器，并将后续请求重新分发给其他正常运行的服务器，从而实现无中断的服务。此外，在需要扩展系统容量时，只需简单地向服务器集群添加新的服务器节点，负载均衡器就能自动识别并开始向新增服务器分发流量。

负载均衡技术广泛应用于云服务、数据中心、大型网站和其他需要高性能、高可靠性和可扩展性的场景中。

负载均衡设备

负载均衡通常采用硬件设备或是软件来实现，硬件负载均衡器通过专用硬件设备分发流量，而软件负载均衡器则通过对流量进行转发和控制来实现负载均衡。

硬件负载均衡的代表产品

F5 Networks 是一家全球领先的网络解决方案提供商，其最知名的产品之一就是硬件负载均衡设备。F5 BIG-IP系列是业界知名的高性能、高可用性负载均衡器和应用交付控制器（Application Delivery Controller, ADC）产品。

F5 BIG-IP设备能够实现以下功能：负载均衡、应用加速与优化、安全防护、全局流量管理（GTM）、应用感知等。

软件负载均衡的代表产品

Nginx 是一款流行的开源Web服务器和反向代理服务器，它也常被用作软件负载均衡器。在负载均衡场景中，Nginx 能够有效地分发网络流量到多个后端服务器上，确保服务的高可用性和伸缩性。

负载均衡基于OSI模型分层

• 企业中的负载均衡通常工作在OSI七层模型的三层(网络层)、四层（传输层）和七层（应用层）

提示：OSI七层网络模型从第一层到第七层分别为物理层，数据链路，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层，是用于计算机或通信系统间互联的标准体系。

负载均衡在网络层

负载均衡在网络层通过路由实现，将传入的数据流量分配到服务器组中的多个服务器上，以确保服务器资源的有效利用，提高系统性能和可靠性。在此过程中，负载均衡设备根据预定的算法选择目标服务器，并在网络层进行数据包的转发，保持连接状态以确保会话一致性。这种方法使得负载均衡能够有效地应对大量请求，提高系统的整体效率。常见的L3负载均衡器包括硬件设备如F5等。

负载均衡在传输层

在传输层，负载均衡通过基于传输层协议（通常是TCP或UDP）的信息进行工作。负载均衡设备接收来自客户端的连接请求，并使用特定算法（如轮询、最小连接数、最小响应时间等）选择目标服务器。一旦选择了目标服务器，负载均衡设备将连接请求转发到该服务器，同时负责将来自服务器的响应传递回客户端。这一过程允许负载均衡在传输层有效地分配流量，提高系统性能和可伸缩性。

负载均衡在应用层

应用层负载均衡器（第七层，L7）在工作时，会深入解析客户端发送到服务器的请求内容，包括但不限于HTTP(S)协议的URL、Header信息、Cookies以及POST数据等。基于这些高级应用层信息，负载均衡器能够制定更加智能和精细的流量分发策略。

例如，在Web服务中，应用层负载均衡器可以根据不同的URL路径将请求导向特定的后端服务器；或者依据Cookie中的用户会话标识，确保同一用户的请求始终被转发到同一台服务器上，以保持会话状态的一致性。此外，它还可以根据后端服务器的响应时间、健康状态以及应用特定的业务逻辑进行动态调整和优化。

不止NLB，一起认识ALB(Application Load Balancer）应用负载均衡

优先考虑负载均衡的场景

需要使用负载均衡的场景通常有如下几种：

• 服务器台数多：需要共同对外提供Web服务的服务器多于一台时
• 担心单点故障：担心某些服务器故障后，用户依旧访问到这些服务器导致用户体验不佳
• 访问量大：用户访问流量太大，需要多台服务器一共承担流量时
• 增加扩展性：经常需要添加和移除后端服务器，担心变更时会对用户产生影响

硬件负载均衡的缺点

软件负载均衡和硬件负载均衡其实各有优缺点，因为很多场景中都更多的采用软件负载均衡，所以，我们主要罗列软件负载均衡的缺点：

1. 单点故障：如果是一台负载均衡设备，一旦故障后，整体业务会陷入瘫痪。
2. 成本高昂：如果是多台设备，成本会特别的高昂，设备成本太高，以F5为例，一台LTM接近一台宝马，高昂的成本让很多企业被迫放弃，转而选择软件负载均衡的解决方案。鉴于单点故障考虑，不可能只买一台吧？
3. 技术复杂：负载均衡需要专人学习并配置，技术成本较高。
4. 容灾能力差：通常是在单一的机房中实现，容易受到网络环境干扰，例如电力中断等。

云负载均衡正在成为最佳选择

基于互联网的业务，云负载均衡正在陆续取代硬件负载均衡，成为更多企业的选择。而对于数据不能上云的业务，硬件负载均衡仍然是很多企业的首选。

那么云负载均衡有哪些特点值得大家选择呢？

• 容灾能力强：云平台的负载均衡可以跨可用区实现，避开了单一机房电力、网络中断的影响；
• 技术成本低：负载均衡服务后端由专门的平台专家团队维护，用户的人工成本较低云平台的负载均衡价格较低，能力较强，性价比更高；
• 功能丰富：云负载均衡支持不同的算法进行负载均衡，包括轮询、最少连接数、源IP地址哈希等，可以根据用户实际需求进行配置。
• SLA保障：云负载均衡采用全冗余设计，无单点故障，支持同城容灾，企业还可以将业务网站部署在不同的可用区中做流量分发，还可以根据流量负载进行弹性扩容，在流量波动情况下不中断对外服务。

企业数字化转型对负载均衡的需求

企业数字化转型过程中，对负载均衡的需求显著增强并呈现出多元化趋势：

1. 业务连续性与高可用性：随着企业关键业务系统向线上迁移，确保服务的持续稳定性和高可用性成为核心需求。负载均衡通过将流量分发至多个服务器或云实例，避免单点故障，保障业务连续运营。

2. 弹性扩展能力：数字化业务通常具有快速变化和不确定性的特点，可能面临瞬间流量高峰。负载均衡能够根据实际流量动态分配资源，实现水平伸缩，以应对业务量的增长或减少。

3. 性能优化：在数字化场景下，用户对应用系统的响应速度和服务质量有更高要求。负载均衡通过缓存、压缩、SSL卸载等功能提高应用性能，并结合智能路由策略优化数据传输路径。

4. 全球部署与就近服务：全球化的企业需要在全球范围内提供一致的服务体验，负载均衡可配合CDN、边缘计算等技术实现跨地域的流量调度，让用户能从最近的数据中心获取服务。

5. 混合云与多云支持：企业数字化转型过程中，往往采用混合云或多云战略。负载均衡需具备跨公有云、私有云以及本地数据中心的能力，无缝整合各类资源，实现灵活管理和统一运维。

6. 安全性与合规性：随着数据安全法规日益严格，负载均衡设备还需承担起防护DDoS攻击、实施访问控制、保护敏感信息的任务，以满足企业安全合规的要求。

基于以上总结，在企业数字化转型的过程中，负载均衡是构建高效、稳定、安全和灵活IT架构的关键组成部分，助力企业在瞬息万变的市场环境中保持竞争优势。