1 什么是負(fù)載均衡？

當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器的性能達(dá)到極限時(shí)，我們可以使用服務(wù)器集群來(lái)提高網(wǎng)站的整體性能。那么，在服務(wù)器集群中，需要有一臺(tái)服務(wù)器充當(dāng)調(diào)度者的角色，用戶的所有請(qǐng)求都會(huì)首先由它接收，調(diào)度者再根據(jù)每臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載情況將請(qǐng)求分配給某一臺(tái)后端服務(wù)器去處理。

那么在這個(gè)過(guò)程中，調(diào)度者如何合理分配任務(wù)，保證所有后端服務(wù)器都將性能充分發(fā)揮，從而保持服務(wù)器集群的整體性能最優(yōu)，這就是負(fù)載均衡問(wèn)題。

下面詳細(xì)介紹負(fù)載均衡的四種實(shí)現(xiàn)方式

2 HTTP重定向?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡

過(guò)程描述

當(dāng)用戶向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求首先被集群調(diào)度者截獲；調(diào)度者根據(jù)某種分配策略，選擇一臺(tái)服務(wù)器，并將選中的服務(wù)器的IP地址封裝在HTTP響應(yīng)消息頭部的Location字段中，并將響應(yīng)消息的狀態(tài)碼設(shè)為302，最后將這個(gè)響應(yīng)消息返回給瀏覽器。

當(dāng)瀏覽器收到響應(yīng)消息后，解析Location字段，并向該URL發(fā)起請(qǐng)求，然后指定的服務(wù)器處理該用戶的請(qǐng)求，最后將結(jié)果返回給用戶。

在使用HTTP重定向來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器集群負(fù)載均衡的過(guò)程中，需要一臺(tái)服務(wù)器作為請(qǐng)求調(diào)度者。用戶的一項(xiàng)操作需要發(fā)起兩次HTTP請(qǐng)求，一次向調(diào)度服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，獲取后端服務(wù)器的IP，第二次向后端服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，獲取處理結(jié)果。

調(diào)度策略

調(diào)度服務(wù)器收到用戶的請(qǐng)求后，究竟選擇哪臺(tái)后端服務(wù)器處理請(qǐng)求，這由調(diào)度服務(wù)器所使用的調(diào)度策略決定。

隨機(jī)分配策略

當(dāng)調(diào)度服務(wù)器收到用戶請(qǐng)求后，可以隨機(jī)決定使用哪臺(tái)后端服務(wù)器，然后將該服務(wù)器的IP封裝在HTTP響應(yīng)消息的Location屬性中，返回給瀏覽器即可。

輪詢策略(RR)

調(diào)度服務(wù)器需要維護(hù)一個(gè)值，用于記錄上次分配的后端服務(wù)器的IP。那么當(dāng)新的請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，調(diào)度者將請(qǐng)求依次分配給下一臺(tái)服務(wù)器。

由于輪詢策略需要調(diào)度者維護(hù)一個(gè)值用于記錄上次分配的服務(wù)器IP，因此需要額外的開(kāi)銷；此外，由于這個(gè)值屬于互斥資源，那么當(dāng)多個(gè)請(qǐng)求同時(shí)到來(lái)時(shí)，為了避免線程的安全問(wèn)題，因此需要鎖定互斥資源，從而降低了性能。而隨機(jī)分配策略不需要維護(hù)額外的值，也就不存在線程安全問(wèn)題，因此性能比輪詢要高。

優(yōu)缺點(diǎn)分析

采用HTTP重定向來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器集群的負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易，邏輯比較簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也較為明顯。

在HTTP重定向方法中，調(diào)度服務(wù)器只在客戶端第一次向網(wǎng)站發(fā)起請(qǐng)求的時(shí)候起作用。當(dāng)調(diào)度服務(wù)器向?yàn)g覽器返回響應(yīng)信息后，客戶端此后的操作都基于新的URL進(jìn)行的(也就是后端服務(wù)器)，此后瀏覽器就不會(huì)與調(diào)度服務(wù)器產(chǎn)生關(guān)系，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生如下幾個(gè)問(wèn)題：

由于不同用戶的訪問(wèn)時(shí)間、訪問(wèn)頁(yè)面深度有所不同，從而每個(gè)用戶對(duì)各自的后端服務(wù)器所造成的壓力也不同。而調(diào)度服務(wù)器在調(diào)度時(shí)，無(wú)法知道當(dāng)前用戶將會(huì)對(duì)服務(wù)器造成多大的壓力，因此這種方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的負(fù)載均衡，只不過(guò)是把請(qǐng)求次數(shù)平均分配給每臺(tái)服務(wù)器罷了。
若分配給該用戶的后端服務(wù)器出現(xiàn)故障，并且如果頁(yè)面被瀏覽器緩存，那么當(dāng)用戶再次訪問(wèn)網(wǎng)站時(shí)，請(qǐng)求都會(huì)發(fā)給出現(xiàn)故障的服務(wù)器，從而導(dǎo)致訪問(wèn)失敗

3 DNS負(fù)載均衡

DNS是什么

在了解DNS負(fù)載均衡之前，我們首先需要了解DNS域名解析的過(guò)程。

我們知道，數(shù)據(jù)包采用IP地址在網(wǎng)絡(luò)中傳播，而為了方便用戶記憶，我們使用域名來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)站。那么，我們通過(guò)域名訪問(wèn)網(wǎng)站之前，首先需要將域名解析成IP地址，這個(gè)工作是由DNS完成的。也就是域名服務(wù)器。

我們提交的請(qǐng)求不會(huì)直接發(fā)送給想要訪問(wèn)的網(wǎng)站，而是首先發(fā)給域名服務(wù)器，它會(huì)幫我們把域名解析成IP地址并返回給我們。我們收到IP之后才會(huì)向該IP發(fā)起請(qǐng)求。

那么，DNS服務(wù)器有一個(gè)天然的優(yōu)勢(shì)，如果一個(gè)域名指向了多個(gè)IP地址，那么每次進(jìn)行域名解析時(shí)，DNS只要選一個(gè)IP返回給用戶，就能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器集群的負(fù)載均衡。

具體做法

首先需要將我們的域名指向多個(gè)后端服務(wù)器(將一個(gè)域名解析到多個(gè)IP上)，再設(shè)置一下調(diào)度策略，那么我們的準(zhǔn)備工作就完成了，接下來(lái)的負(fù)載均衡就完全由DNS服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)用戶向我們的域名發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，DNS服務(wù)器會(huì)自動(dòng)地根據(jù)我們事先設(shè)定好的調(diào)度策略選一個(gè)合適的IP返回給用戶，用戶再向該IP發(fā)起請(qǐng)求。

調(diào)度策略

一般DNS提供商會(huì)提供一些調(diào)度策略供我們選擇，如隨機(jī)分配、輪詢、根據(jù)請(qǐng)求者的地域分配離他最近的服務(wù)器。

優(yōu)缺點(diǎn)分析
DNS負(fù)載均衡最大的優(yōu)點(diǎn)就是配置簡(jiǎn)單。服務(wù)器集群的調(diào)度工作完全由DNS服務(wù)器承擔(dān)，那么我們就可以把精力放在后端服務(wù)器上，保證他們的穩(wěn)定性與吞吐量。而且完全不用擔(dān)心DNS服務(wù)器的性能，即便是使用了輪詢策略，它的吞吐率依然卓越。

此外，DNS負(fù)載均衡具有較強(qiáng)了擴(kuò)展性，你完全可以為一個(gè)域名解析較多的IP，而且不用擔(dān)心性能問(wèn)題。

但是，由于把集群調(diào)度權(quán)交給了DNS服務(wù)器，從而我們沒(méi)辦法隨心所欲地控制調(diào)度者，沒(méi)辦法定制調(diào)度策略。

DNS服務(wù)器也沒(méi)辦法了解每臺(tái)服務(wù)器的負(fù)載情況，因此沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)真正意義上的負(fù)載均衡。它和HTTP重定向一樣，只不過(guò)把所有請(qǐng)求平均分配給后端服務(wù)器罷了。

此外，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)某一臺(tái)后端服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，即使我們立即將該服務(wù)器從域名解析中去除，但由于DNS服務(wù)器會(huì)有緩存，該IP仍然會(huì)在DNS中保留一段時(shí)間，那么就會(huì)導(dǎo)致一部分用戶無(wú)法正常訪問(wèn)網(wǎng)站。這是一個(gè)致命的問(wèn)題！好在這個(gè)問(wèn)題可以用動(dòng)態(tài)DNS來(lái)解決。

動(dòng)態(tài)DNS
動(dòng)態(tài)DNS能夠讓我們通過(guò)程序動(dòng)態(tài)修改DNS服務(wù)器中的域名解析。從而當(dāng)我們的監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)某臺(tái)服務(wù)器掛了之后，能立即通知DNS將其刪掉。

綜上所述
DNS負(fù)載均衡是一種粗獷的負(fù)載均衡方法，這里只做介紹，不推薦使用。

4 反向代理負(fù)載均衡

什么是反向代理負(fù)載均衡？
反向代理服務(wù)器是一個(gè)位于實(shí)際服務(wù)器之前的服務(wù)器，所有向我們網(wǎng)站發(fā)來(lái)的請(qǐng)求都首先要經(jīng)過(guò)反向代理服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)用戶的請(qǐng)求要么直接將結(jié)果返回給用戶，要么將請(qǐng)求交給后端服務(wù)器處理，再返回給用戶。

之前我們介紹了用反向代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)頁(yè)面和常用的動(dòng)態(tài)頁(yè)面的緩存。接下來(lái)我們介紹反向代理服務(wù)器更常用的功能——實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

我們知道，所有發(fā)送給我們網(wǎng)站的請(qǐng)求都首先經(jīng)過(guò)反向代理服務(wù)器。那么，反向代理服務(wù)器就可以充當(dāng)服務(wù)器集群的調(diào)度者，它可以根據(jù)當(dāng)前后端服務(wù)器的負(fù)載情況，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給一臺(tái)合適的服務(wù)器，并將處理結(jié)果返回給用戶。

優(yōu)點(diǎn)

隱藏后端服務(wù)器。

與HTTP重定向相比，反向代理能夠隱藏后端服務(wù)器，所有瀏覽器都不會(huì)與后端服務(wù)器直接交互，從而能夠確保調(diào)度者的控制權(quán)，提升集群的整體性能。

故障轉(zhuǎn)移

與DNS負(fù)載均衡相比，反向代理能夠更快速地移除故障結(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)某一后端服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)通知反向代理服務(wù)器，并立即將其刪除。

合理分配任務(wù)

HTTP重定向和DNS負(fù)載均衡都無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的負(fù)載均衡，也就是調(diào)度服務(wù)器無(wú)法根據(jù)后端服務(wù)器的實(shí)際負(fù)載情況分配任務(wù)。但反向代理服務(wù)器支持手動(dòng)設(shè)定每臺(tái)后端服務(wù)器的權(quán)重。我們可以根據(jù)服務(wù)器的配置設(shè)置不同的權(quán)重，權(quán)重的不同會(huì)導(dǎo)致被調(diào)度者選中的概率的不同。

缺點(diǎn)

調(diào)度者壓力過(guò)大

由于所有的請(qǐng)求都先由反向代理服務(wù)器處理，那么當(dāng)請(qǐng)求量超過(guò)調(diào)度服務(wù)器的最大負(fù)載時(shí)，調(diào)度服務(wù)器的吞吐率降低會(huì)直接降低集群的整體性能。

制約擴(kuò)展

當(dāng)后端服務(wù)器也無(wú)法滿足巨大的吞吐量時(shí)，就需要增加后端服務(wù)器的數(shù)量，可沒(méi)辦法無(wú)限量地增加，因?yàn)闀?huì)受到調(diào)度服務(wù)器的最大吞吐量的制約。

粘滯會(huì)話

反向代理服務(wù)器會(huì)引起一個(gè)問(wèn)題。若某臺(tái)后端服務(wù)器處理了用戶的請(qǐng)求，并保存了該用戶的session或存儲(chǔ)了緩存，那么當(dāng)該用戶再次發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，無(wú)法保證該請(qǐng)求仍然由保存了其Session或緩存的服務(wù)器處理，若由其他服務(wù)器處理，先前的Session或緩存就找不到了。

解決辦法1：

可以修改反向代理服務(wù)器的任務(wù)分配策略，以用戶IP作為標(biāo)識(shí)較為合適。相同的用戶IP會(huì)交由同一臺(tái)后端服務(wù)器處理，從而就避免了粘滯會(huì)話的問(wèn)題。

解決辦法2：

可以在Cookie中標(biāo)注請(qǐng)求的服務(wù)器ID，當(dāng)再次提交請(qǐng)求時(shí)，調(diào)度者將該請(qǐng)求分配給Cookie中標(biāo)注的服務(wù)器處理即可。

5 負(fù)載均衡組件

1.1、apache

—— 它是Apache軟件基金會(huì)的一個(gè)開(kāi)放源代碼的跨平臺(tái)的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，屬于老牌的web服務(wù)器了，支持基于Ip或者域名的虛擬主機(jī)，支持代理服務(wù)器，支持安全Socket層(SSL)等等，目前互聯(lián)網(wǎng)主要使用它做靜態(tài)資源服務(wù)器，也可以做代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求(如：圖片鏈等)，結(jié)合tomcat等servlet容器處理jsp。

1.2、ngnix

—— 俄羅斯人開(kāi)發(fā)的一個(gè)高性能的 HTTP和反向代理服務(wù)器。由于Nginx 超越 Apache 的高性能和穩(wěn)定性，使得國(guó)內(nèi)使用 Nginx 作為 Web 服務(wù)器的網(wǎng)站也越來(lái)越多，其中包括新浪博客、新浪播客、網(wǎng)易新聞、騰訊網(wǎng)、搜狐博客等門(mén)戶網(wǎng)站頻道等，在3w以上的高并發(fā)環(huán)境下，ngnix處理能力相當(dāng)于apache的10倍。

參考：apache和tomcat的性能分析和對(duì)比(Nginx 0.8.x + PHP 5.2.13（FastCGI）搭建勝過(guò)Apache十倍的Web服務(wù)器（第6版）[原創(chuàng)])

1.3、lvs

—— Linux Virtual Server的簡(jiǎn)寫(xiě)，意即Linux虛擬服務(wù)器，是一個(gè)虛擬的服務(wù)器集群系統(tǒng)。由畢業(yè)于國(guó)防科技大學(xué)的章文嵩博士于1998年5月創(chuàng)立，可以實(shí)現(xiàn)LINUX平臺(tái)下的簡(jiǎn)單負(fù)載均衡。了解更多，訪問(wèn)官網(wǎng)：http://zh.linuxvirtualserver.org/。

1.4、HAProxy

—— HAProxy提供高可用性、負(fù)載均衡以及基于TCP和HTTP應(yīng)用的代理，支持虛擬主機(jī)，它是免費(fèi)、快速并且可靠的一種解決方案。HAProxy特別適用于那些負(fù)載特大的web站點(diǎn)， 這些站點(diǎn)通常又需要會(huì)話保持或七層處理。HAProxy運(yùn)行在當(dāng)前的硬件上，完全可以支持?jǐn)?shù)以萬(wàn)計(jì)的并發(fā)連接。并且它的運(yùn)行模式使得它可以很簡(jiǎn)單安全的整合進(jìn)您當(dāng)前的架構(gòu)中， 同時(shí)可以保護(hù)你的web服務(wù)器不被暴露到網(wǎng)絡(luò)上.

1.5、keepalived

—— 這里說(shuō)的keepalived不是apache或者tomcat等某個(gè)組件上的屬性字段，它也是一個(gè)組件，可以實(shí)現(xiàn)web服務(wù)器的高可用(HA high availably)。它可以檢測(cè)web服務(wù)器的工作狀態(tài)，如果該服務(wù)器出現(xiàn)故障被檢測(cè)到，將其剔除服務(wù)器群中，直至正常工作后，keepalive會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到并加入到服務(wù)器群里面。實(shí)現(xiàn)主備服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)ip瞬時(shí)無(wú)縫交接。它是LVS集群節(jié)點(diǎn)健康檢測(cè)的一個(gè)用戶空間守護(hù)進(jìn)程，也是LVS的引導(dǎo)故障轉(zhuǎn)移模塊（director failover）。Keepalived守護(hù)進(jìn)程可以檢查L(zhǎng)VS池的狀態(tài)。如果LVS服務(wù)器池當(dāng)中的某一個(gè)服務(wù)器宕機(jī)了。keepalived會(huì)通過(guò)一 個(gè)setsockopt呼叫通知內(nèi)核將這個(gè)節(jié)點(diǎn)從LVS拓?fù)鋱D中移除。

1.6、memcached

—— 它是一個(gè)高性能分布式內(nèi)存對(duì)象緩存系統(tǒng)。當(dāng)初是Danga Interactive為了LiveJournal快速發(fā)展開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，用于對(duì)業(yè)務(wù)查詢數(shù)據(jù)緩存，減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)載。其守護(hù)進(jìn)程(daemon)是用C寫(xiě)的，但是客戶端支持幾乎所有語(yǔ)言(客戶端基本上有3種版本[memcache client for Java;spymemcached;xMecache])，服務(wù)端和客戶端通過(guò)簡(jiǎn)單的協(xié)議通信；在memcached里面緩存的數(shù)據(jù)必須序列化。

1.7、terracotta

—— 是一款由美國(guó)Terracotta公司開(kāi)發(fā)的著名開(kāi)源Java集群平臺(tái)。它在JVM與Java應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)專門(mén)處理集群功能的抽象層，允許用戶在不改變系統(tǒng)代碼的情況下實(shí)現(xiàn)java應(yīng)用的集群。支持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化、session的復(fù)制以及高可用(HA)。

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