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【整理總結(jié)】負(fù)載均衡淺析

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摘要：負(fù)載均衡算法輪詢(xún)，加權(quán)輪詢(xún)。參考三負(fù)載均衡負(fù)載均衡由服務(wù)提供廠(chǎng)商提供。之后，集群內(nèi)再采用其他的負(fù)載均衡方案。參考五負(fù)載均衡工作在層，它會(huì)與分別建立連接，需要維護(hù)這兩個(gè)連接的狀態(tài)。

運(yùn)營(yíng)研發(fā)團(tuán)隊(duì) 施洪寶

一. 基礎(chǔ)知識(shí) 1.1 基礎(chǔ)

什么是負(fù)載均衡?

當(dāng)單機(jī)提供的并發(fā)量不能滿(mǎn)足需求時(shí)，我們需要多臺(tái)服務(wù)器同時(shí)服務(wù)。當(dāng)客戶(hù)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，如何為客戶(hù)選擇最合適的服務(wù)器?這個(gè)問(wèn)題就是負(fù)載均衡問(wèn)題。

負(fù)載均衡主要需要解決的問(wèn)題是哪些?

從客戶(hù)端的角度上看，客戶(hù)需要最快速的得到服務(wù)器的相應(yīng)，負(fù)載均衡時(shí)需要找出能最快相應(yīng)客戶(hù)需求的服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)。


從服務(wù)端來(lái)看如何使得每臺(tái)服務(wù)器都能達(dá)到較高的利用率，最大限制的為用戶(hù)提供快速、可靠的服務(wù)是服務(wù)端需要考慮的主要問(wèn)題。
1.2 負(fù)載均衡分類(lèi)

硬件

F5

軟件

dns負(fù)載均衡


LVS負(fù)載均衡(4層)


nginx, haproxy(7層)
二. F5負(fù)載均衡

F5是一家美國(guó)的公司，該公司生產(chǎn)一些硬件設(shè)備可以作為負(fù)載均衡器使用(例如:big-ip), 本文后續(xù)部分所說(shuō)的F5是指其負(fù)載均衡器產(chǎn)品。

不同的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能不一致，具體情況需要根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。

F5可以在4-7層內(nèi)做負(fù)載均衡，用戶(hù)可以根據(jù)需求進(jìn)行配置。

由于F5可以做7層負(fù)載均衡，故而可以實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)管理，http處理等。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式

standard類(lèi)型, 這種模式下，客戶(hù)端與F5服務(wù)器建立連接，F(xiàn)5服務(wù)器與真實(shí)服務(wù)器建立連接，F(xiàn)5服務(wù)器將客戶(hù)需求轉(zhuǎn)發(fā)給真實(shí)服務(wù)器，并將真實(shí)服務(wù)器的相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給客戶(hù)端，此時(shí)F5可以查看請(qǐng)求和相應(yīng)的所有信息。

四層轉(zhuǎn)發(fā)模式(performance L4), 這種模式下，F(xiàn)5只處理4層以下的數(shù)據(jù)。客戶(hù)端將數(shù)據(jù)發(fā)送給F5, F5僅將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給真實(shí)服務(wù)器，包括TCP的握手?jǐn)?shù)據(jù)包以及揮手?jǐn)?shù)據(jù)包，真實(shí)服務(wù)器需要先將數(shù)據(jù)發(fā)送給F5服務(wù)器，F(xiàn)5將其轉(zhuǎn)發(fā)給客戶(hù)端。

路由模式, 這種模式與LVS的DR模式類(lèi)似。

...

2.2 負(fù)載均衡算法

輪詢(xún)，加權(quán)輪詢(xún)。

源地址哈希

...

2.3 小結(jié)

F5的優(yōu)勢(shì)在于功能強(qiáng)大，并發(fā)量高，能滿(mǎn)足客戶(hù)的大多數(shù)需求，但其成本較高，一般大型國(guó)企可能會(huì)使用。

2.4 參考

https://f5.com/zh

https://www.jianshu.com/p/2b5...

https://wenku.baidu.com/view/...

三. dns負(fù)載均衡

dns負(fù)載均衡由dns服務(wù)提供廠(chǎng)商提供。

最初的dns負(fù)載均衡提供簡(jiǎn)單輪詢(xún)，不能根據(jù)客戶(hù)端或者服務(wù)端狀態(tài)進(jìn)行選擇。

目前，有些dns服務(wù)廠(chǎng)商可以提供智能dns服務(wù)，用戶(hù)可以設(shè)置負(fù)載均衡方案，例如：根據(jù)客戶(hù)端ip地址，選擇就近的服務(wù)器。

對(duì)于目前大多數(shù)的公司而言，為了更好的服務(wù)用戶(hù)，通常會(huì)使用dns負(fù)載均衡，將用戶(hù)按照就近原則，分配到某個(gè)集群服務(wù)器上。之后，集群內(nèi)再采用其他的負(fù)載均衡方案。

四. Linux Virtual Server(LVS)

LVS通過(guò)修改數(shù)據(jù)包Ip地址，Mac地址實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

LVS由ipvs(內(nèi)核中), ipvsadm(用戶(hù)態(tài))組成。LVS需要理解tcp，ip頭部。

當(dāng)tcp握手信號(hào)，SYN數(shù)據(jù)包達(dá)到時(shí)，ipvs選擇一個(gè)后端服務(wù)器，將數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。在此之后，所有包含相同的ip，tcp頭部的數(shù)據(jù)包都會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到之前選擇的服務(wù)器上。很明顯，ipvs無(wú)法感知數(shù)據(jù)包內(nèi)容。

4.1 分類(lèi)

LVS-NAT

LVS-DR

LVS-TUN

4.2 基本原理 4.2.1 LVS-DR

LVS-DR模式的基本原理如下圖所示:

4.2.2 LVS-NAT

LVS-NAT模式的基本原理如下圖所示:

4.3 負(fù)載均衡算法 4.3.1 靜態(tài)算法

輪詢(xún)(Round Robin, RR)

加權(quán)輪詢(xún)(Weight Round Robin, WRR)

源地址Hash(Source Hash, SH)

目的地址Hash(Destination Hash, DH), 可以設(shè)置多個(gè)VIP

4.3.2 動(dòng)態(tài)算法

最少連接(Least Connections, LC)，找出當(dāng)前連接數(shù)最小的服務(wù)器

加權(quán)最少連接(Weighted Least Connections, WLC)

最短期望延遲(Shortest Expected Delay Scheduling, SED) 基于WLC。例如: 現(xiàn)有A, B, C三臺(tái)服務(wù)器，權(quán)重分別為100,200,300，當(dāng)前的連接數(shù)分別為1,2,3,下一個(gè)連接到達(dá)時(shí)，通過(guò)計(jì)算期望時(shí)延選擇服務(wù)器(1+1)/100, (2+1)/200, (3+1)/300, 故而選擇C服務(wù)器。

永不排隊(duì)(Never Queue Scheduling, NQ)， 改進(jìn)的sed, 如果某臺(tái)服務(wù)器連接數(shù)為0，直接連接過(guò)去，不在進(jìn)行sed計(jì)算。

基于局部性的最少連接(locality-Based Least Connections, LBLC)，根據(jù)目標(biāo)ip, 找出目標(biāo)ip最近使用的服務(wù)器，如果服務(wù)器存在并且負(fù)載沒(méi)有大于一個(gè)閾值，則將新的連接分配到這個(gè)服務(wù)器上，否則按照最少連接找出一個(gè)服務(wù)器處理該請(qǐng)求。

帶復(fù)制的基于局部性最少連接(Locality-Based Least Connections with Replication, LBLCR)，根據(jù)目標(biāo)ip，維護(hù)一個(gè)服務(wù)器組，每次從組中挑選服務(wù)器，如果服務(wù)器不可以處理，則從所有服務(wù)器中按照最少連接挑選出一臺(tái)服務(wù)器，并將其加入到目標(biāo)ip的處理組服務(wù)器中。

4.3 參考

https://liangshuang.name/2017...

五. Nginx Load Balance

nginx負(fù)載均衡工作在7層，它會(huì)與client、upstream分別建立tcp連接，nginx需要維護(hù)這兩個(gè)連接的狀態(tài)。

nginx的stream模塊可以用于4層負(fù)載均衡，但一般很少使用。

5.1 基本原理

nginx做7層負(fù)載均衡的基本原理如下圖所示:

5.2 負(fù)載均衡算法

輪詢(xún)(默認(rèn))

加權(quán)輪詢(xún)

源ip哈希

響應(yīng)時(shí)間

url 哈希

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