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系統(tǒng)架構(gòu)師知識：負載均衡
負載均衡(Load Balance)，顧名思義，是把服務(wù)的并發(fā)請求均衡地負載到后端多個具有相同能力的服務(wù)進行處理分擔，以廉價有效透明的方式擴展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或服務(wù)的帶寬，增加吞吐量，增強服務(wù)的整體處理能力，提供服務(wù)的靈活性和可用性。
1、什么是負載均衡?
常見的典型的負載均衡應(yīng)用場景：
(1)、web集群：將大量的并發(fā)訪問或數(shù)據(jù)流量分擔到多臺節(jié)點設(shè)備上分別處理，減少用戶等待響應(yīng)的時間。
(2)、MapReduce：單個重負載的運算分擔到多臺節(jié)點設(shè)備上做并行處理，每個節(jié)點設(shè)備處理結(jié)束后，將結(jié)果匯總，返回給⽤戶，系統(tǒng)處理能⼒得到大幅度提高。
2、負載均衡算法
負載均衡算法是負載均衡設(shè)備(包括虛擬設(shè)備或相關(guān)軟件)在執(zhí)行負載均衡調(diào)度，選擇具體處理的后端服務(wù)的時候使用的調(diào)度和分發(fā)的邏輯。
負載均衡的算法只是規(guī)定了調(diào)度和分發(fā)的邏輯，在不同的負載均衡方案中都可能使用相同和(或)類似的算法，它只是負載均衡方案的一部分。
常見的主流負載均衡算法包括：
(1)、輪詢算法：Round Robin/Weight Round Robin Scheduling
輪詢算法通過依次輪叫的方式依次將請求調(diào)度不同的后端服務(wù)器(Real Server)。通常可以分為普通輪詢和加權(quán)輪詢兩種方式。算法的優(yōu)點是簡潔且無狀態(tài)。
算法簡單表示為：i = ( i + 1 ) mod n
(2)、Hash算法: 隨機數(shù)Hash，Sources Hashing Scheduling
Hash算法，又叫取余算法。一般是對請求報文中的某項數(shù)據(jù)(key，一般常用客戶端來源IP)計算Hash值，然后按機器數(shù)量(n)取模。
算法簡單表示為：idx = Hash(key) % n
Hash算法中，Key的選擇常用實踐如下：
a、請求時間或隨機數(shù)
特點是簡單，具有一定分散性，但不穩(wěn)定，一般用于要求不高的負載均衡場景。
b、來源IP
特點是簡單。如果客戶的分布比較廣，這種方式分散性較好。但如果較多的客戶請求來源于同一IP(公司網(wǎng)絡(luò)通過路由器上網(wǎng))，分散效果較差。
大多負載均衡設(shè)備都支持這種算法，著名的nginx和LVS等軟件也支持。
(3)、一致性Hash算法：Consistency Hash Scheduling
一致性Hash算法最常用于分布式緩存(如memcached、redis等)的定位，但同時也可以在系統(tǒng)或程序中用于負載均衡，該算法本來的意義就在于分散負載和快速定位。
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(4)、最少連接或請求數(shù): (Weight)Least Connection/Request Scheduling
最小連接調(diào)度是一種動態(tài)調(diào)度算法，它通過服務(wù)器當前所活躍的連接數(shù)來估計服務(wù)器的負載情況。
算法主要邏輯是，調(diào)度設(shè)備或服務(wù)記錄后端服務(wù)器接受請求的計數(shù)，每次請求總是發(fā)給計數(shù)最小的服務(wù)器處理。
(5)、最大空閑：Most idle First(基于監(jiān)控CPU,內(nèi)存,帶寬等綜合評估)
(6)、平均最快響應(yīng)：平均最快響應(yīng)
(7)、最少流量：Least Traffic Scheduling
還有一種常見的就是基于會話的負載實現(xiàn)，但是嚴格來說Session(一般用于WEB)不能算是算法。Session實現(xiàn)負載均衡的主要過程為：首次請求記錄用戶的SessionID，然后再通過輪詢等算法選擇后端服務(wù)器，如果用戶后續(xù)使用同一SessionID發(fā)起請求，則無需再選擇服務(wù)器，直接轉(zhuǎn)發(fā)給前面根據(jù)SessionID找到的對應(yīng)的后端服務(wù)器。
3、負載均衡模式
負載均衡模式主要是指在整體方案中選擇從服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的哪個層次或哪個產(chǎn)品來實現(xiàn)負載均衡方案。
(1)、外部模式(RR-DNS)
RR-DNS，即DNS輪詢模式，它的原理是利用DNS服務(wù)器支持同一域名配置多個獨立IP指向，然后輪詢解析指向IP實現(xiàn)多次訪問的調(diào)度和分發(fā)，實現(xiàn)負載均衡。
它的主要特點為：
a、負載均衡實現(xiàn)與后端服務(wù)完全沒有關(guān)系，有DNS在本地解析指向?qū)崿F(xiàn)輪詢調(diào)度。這個方面來看性能最佳效率最高。
b、DNS服務(wù)無法檢測到后端服務(wù)器是否正常，在TTL失效前，會一直指向失效的服務(wù)器，這就要求在實踐生成中，必須解決后端服務(wù)器的高可用問題。
c、一般的第三方DNS服務(wù)提供商都支持該功能，但如果更新頻率高或附帶更新邏輯，一般會在系統(tǒng)內(nèi)自鍵DNS服務(wù)，然后在注冊為公共DNS服務(wù)。
(2)、應(yīng)用層模式
a、什么是正向和反向代理?
正向代理：用戶通過代理服務(wù)訪問internet, 把internet返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。正向代理對于整個網(wǎng)絡(luò)請求，它的角色實際是客戶端，代理客戶對外的訪問請求。
反向代理：接受internet上用戶的請求，轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部的多臺服務(wù)器處理，完成后轉(zhuǎn)發(fā)后端服務(wù)器的返回給對應(yīng)的用戶。反向代理對于整個網(wǎng)絡(luò)請求，它的角色實際是服務(wù)器，代理接受(accept)所有用戶的請求。
b、反向代理應(yīng)用模式
常見的反向代理應(yīng)用模式，比如通過 Apache, nginx等Web服務(wù)器軟件實現(xiàn)WEB應(yīng)用的負載均衡和高可用。
利用反向代理軟件實現(xiàn)負載均衡是性價比較高的模式。
(3)、網(wǎng)絡(luò)層模式
a、IP轉(zhuǎn)換
IP轉(zhuǎn)換模式的負載均衡一般是在網(wǎng)絡(luò)的IP層實現(xiàn)，通過報文改寫的方式實現(xiàn)VIP到多個內(nèi)部IP的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度，以達到負載均衡的效果。
它的主要特點包括：
網(wǎng)絡(luò)層方案，效率較高，穩(wěn)定性較好;可與操作系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)合;工業(yè)級模式和方案;大部分商業(yè)設(shè)備和產(chǎn)品都以該方式為主;LVS的基本原理也類同。
b、IP轉(zhuǎn)換之LVS
LVS(Linux Virtual Server),是中國人(98年)寫的工業(yè)級的負載平衡調(diào)度解決方案，章文嵩博士是該開源軟件創(chuàng)始人。也是目前業(yè)界最流行的軟件方式實現(xiàn)負載均衡的模式之一。LVS也是利用IP轉(zhuǎn)發(fā)的原理實現(xiàn)大多數(shù)有商業(yè)產(chǎn)品實現(xiàn)的能力，并做了部分優(yōu)化，主要有三種模式的應(yīng)用。
(a)、通過NAT(Network Address Translation)實現(xiàn)虛擬服務(wù)器(VS/NAT)
(b)、通過IP隧道實現(xiàn)虛擬服務(wù)器(VS/TUN)
(c)、通過直接路由實現(xiàn)虛擬服務(wù)器(VS/DR)
關(guān)于LVS的介紹文章非常多，這里就不再詳細介紹了，推薦參考閱讀<<構(gòu)建高性能web站點>>和<<大型網(wǎng)站技術(shù)架構(gòu)>>這兩本書中關(guān)于負載均衡的部分章節(jié)。
c、IP轉(zhuǎn)換之負載均衡設(shè)備
F5等負載均衡設(shè)備同樣是在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)負載均衡，但一般而言造價較為昂貴，性價比較低。
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