1 什么是負載均衡？

當一臺服務器的性能達到極限時，我們可以使用服務器集群來提高網(wǎng)站的整體性能。那么，在服務器集群中，需要有一臺服務器充當調(diào)度者的角色，用戶的所有請求都會首先由它接收，調(diào)度者再根據(jù)每臺服務器的負載情況將請求分配給某一臺后端服務器去處理。

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

下面詳細介紹負載均衡的四種實現(xiàn)方式

2 HTTP重定向?qū)崿F(xiàn)負載均衡

過程描述

當用戶向服務器發(fā)起請求時，請求首先被集群調(diào)度者截獲；調(diào)度者根據(jù)某種分配策略，選擇一臺服務器，并將選中的服務器的IP地址封裝在HTTP響應消息頭部的Location字段中，并將響應消息的狀態(tài)碼設為302，最后將這個響應消息返回給瀏覽器。

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

在使用HTTP重定向來實現(xiàn)服務器集群負載均衡的過程中，需要一臺服務器作為請求調(diào)度者。用戶的一項操作需要發(fā)起兩次HTTP請求，一次向調(diào)度服務器發(fā)送請求，獲取后端服務器的IP，第二次向后端服務器發(fā)送請求，獲取處理結(jié)果。

調(diào)度策略

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

隨機分配策略

當調(diào)度服務器收到用戶請求后，可以隨機決定使用哪臺后端服務器，然后將該服務器的IP封裝在HTTP響應消息的Location屬性中，返回給瀏覽器即可。

輪詢策略(RR)

調(diào)度服務器需要維護一個值，用于記錄上次分配的后端服務器的IP。那么當新的請求到來時，調(diào)度者將請求依次分配給下一臺服務器。

由于輪詢策略需要調(diào)度者維護一個值用于記錄上次分配的服務器IP，因此需要額外的開銷；此外，由于這個值屬于互斥資源，那么當多個請求同時到來時，為了避免線程的安全問題，因此需要鎖定互斥資源，從而降低了性能。而隨機分配策略不需要維護額外的值，也就不存在線程安全問題，因此性能比輪詢要高。

優(yōu)缺點分析

采用HTTP重定向來實現(xiàn)服務器集群的負載均衡實現(xiàn)起來較為容易，邏輯比較簡單，但缺點也較為明顯。

在HTTP重定向方法中，調(diào)度服務器只在客戶端第一次向網(wǎng)站發(fā)起請求的時候起作用。當調(diào)度服務器向瀏覽器返回響應信息后，客戶端此后的操作都基于新的URL進行的(也就是后端服務器)，此后瀏覽器就不會與調(diào)度服務器產(chǎn)生關系，進而會產(chǎn)生如下幾個問題：

由于不同用戶的訪問時間、訪問頁面深度有所不同，從而每個用戶對各自的后端服務器所造成的壓力也不同。而調(diào)度服務器在調(diào)度時，無法知道當前用戶將會對服務器造成多大的壓力，因此這種方式無法實現(xiàn)真正意義上的負載均衡，只不過是把請求次數(shù)平均分配給每臺服務器罷了。若分配給該用戶的后端服務器出現(xiàn)故障，并且如果頁面被瀏覽器緩存，那么當用戶再次訪問網(wǎng)站時，請求都會發(fā)給出現(xiàn)故障的服務器，從而導致訪問失敗

3 DNS負載均衡

DNS是什么

在了解DNS負載均衡之前，我們首先需要了解DNS域名解析的過程。

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

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

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

具體做法

首先需要將我們的域名指向多個后端服務器(將一個域名解析到多個IP上)，再設置一下調(diào)度策略，那么我們的準備工作就完成了，接下來的負載均衡就完全由DNS服務器來實現(xiàn)。

當用戶向我們的域名發(fā)起請求時，DNS服務器會自動地根據(jù)我們事先設定好的調(diào)度策略選一個合適的IP返回給用戶，用戶再向該IP發(fā)起請求。

調(diào)度策略

一般DNS提供商會提供一些調(diào)度策略供我們選擇，如隨機分配、輪詢、根據(jù)請求者的地域分配離他最近的服務器。

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

此外，DNS負載均衡具有較強了擴展性，你完全可以為一個域名解析較多的IP，而且不用擔心性能問題。

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

DNS服務器也沒辦法了解每臺服務器的負載情況，因此沒辦法實現(xiàn)真正意義上的負載均衡。它和HTTP重定向一樣，只不過把所有請求平均分配給后端服務器罷了。

此外，當我們發(fā)現(xiàn)某一臺后端服務器發(fā)生故障時，即使我們立即將該服務器從域名解析中去除，但由于DNS服務器會有緩存，該IP仍然會在DNS中保留一段時間，那么就會導致一部分用戶無法正常訪問網(wǎng)站。這是一個致命的問題！好在這個問題可以用動態(tài)DNS來解決。

動態(tài)DNS動態(tài)DNS能夠讓我們通過程序動態(tài)修改DNS服務器中的域名解析。從而當我們的監(jiān)控程序發(fā)現(xiàn)某臺服務器掛了之后，能立即通知DNS將其刪掉。

綜上所述DNS負載均衡是一種粗獷的負載均衡方法，這里只做介紹，不推薦使用。

4 反向代理負載均衡

什么是反向代理負載均衡？反向代理服務器是一個位于實際服務器之前的服務器，所有向我們網(wǎng)站發(fā)來的請求都首先要經(jīng)過反向代理服務器，服務器根據(jù)用戶的請求要么直接將結(jié)果返回給用戶，要么將請求交給后端服務器處理，再返回給用戶。

之前我們介紹了用反向代理服務器實現(xiàn)靜態(tài)頁面和常用的動態(tài)頁面的緩存。接下來我們介紹反向代理服務器更常用的功能——實現(xiàn)負載均衡。

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

優(yōu)點

隱藏后端服務器。

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

故障轉(zhuǎn)移

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

合理分配任務

HTTP重定向和DNS負載均衡都無法實現(xiàn)真正意義上的負載均衡，也就是調(diào)度服務器無法根據(jù)后端服務器的實際負載情況分配任務。但反向代理服務器支持手動設定每臺后端服務器的權重。我們可以根據(jù)服務器的配置設置不同的權重，權重的不同會導致被調(diào)度者選中的概率的不同。

缺點

調(diào)度者壓力過大

由于所有的請求都先由反向代理服務器處理，那么當請求量超過調(diào)度服務器的最大負載時，調(diào)度服務器的吞吐率降低會直接降低集群的整體性能。

制約擴展

當后端服務器也無法滿足巨大的吞吐量時，就需要增加后端服務器的數(shù)量，可沒辦法無限量地增加，因為會受到調(diào)度服務器的最大吞吐量的制約。

粘滯會話

反向代理服務器會引起一個問題。若某臺后端服務器處理了用戶的請求，并保存了該用戶的session或存儲了緩存，那么當該用戶再次發(fā)送請求時，無法保證該請求仍然由保存了其Session或緩存的服務器處理，若由其他服務器處理，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器的任務分配策略，以用戶IP作為標識較為合適。相同的用戶IP會交由同一臺后端服務器處理，從而就避免了粘滯會話的問題。

解決辦法2：

可以在Cookie中標注請求的服務器ID，當再次提交請求時，調(diào)度者將該請求分配給Cookie中標注的服務器處理即可。

5 負載均衡組件

1.1、apache

—— 它是Apache軟件基金會的一個開放源代碼的跨平臺的網(wǎng)頁服務器，屬于老牌的web服務器了，支持基于Ip或者域名的虛擬主機，支持代理服務器，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)資源服務器，也可以做代理服務器轉(zhuǎn)發(fā)請求(如：圖片鏈等)，結(jié)合tomcat等servlet容器處理jsp。

1.2、ngnix

—— 俄羅斯人開發(fā)的一個高性能的 HTTP和反向代理服務器。由于Nginx 超越 Apache 的高性能和穩(wěn)定性，使得國內(nèi)使用 Nginx 作為 Web 服務器的網(wǎng)站也越來越多，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處理能力相當于apache的10倍。

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

1.3、lvs

—— Linux Virtual Server的簡寫，意即Linux虛擬服務器，是一個虛擬的服務器集群系統(tǒng)。由畢業(yè)于國防科技大學的章文嵩博士于1998年5月創(chuàng)立，可以實現(xiàn)LINUX平臺下的簡單負載均衡。了解更多，訪問官網(wǎng)：http://zh.linuxvirtualserver.org/。

1.4、HAProxy

—— HAProxy提供高可用性、負載均衡以及基于TCP和HTTP應用的代理，支持虛擬主機，它是免費、快速并且可靠的一種解決方案。HAProxy特別適用于那些負載特大的web站點， 這些站點通常又需要會話保持或七層處理。HAProxy運行在當前的硬件上，完全可以支持數(shù)以萬計的并發(fā)連接。并且它的運行模式使得它可以很簡單安全的整合進您當前的架構(gòu)中， 同時可以保護你的web服務器不被暴露到網(wǎng)絡上.

1.5、keepalived

—— 這里說的keepalived不是apache或者tomcat等某個組件上的屬性字段，它也是一個組件，可以實現(xiàn)web服務器的高可用(HA high availably)。它可以檢測web服務器的工作狀態(tài)，如果該服務器出現(xiàn)故障被檢測到，將其剔除服務器群中，直至正常工作后，keepalive會自動檢測到并加入到服務器群里面。實現(xiàn)主備服務器發(fā)生故障時ip瞬時無縫交接。它是LVS集群節(jié)點健康檢測的一個用戶空間守護進程，也是LVS的引導故障轉(zhuǎn)移模塊（director failover）。Keepalived守護進程可以檢查LVS池的狀態(tài)。如果LVS服務器池當中的某一個服務器宕機了。keepalived會通過一 個setsockopt呼叫通知內(nèi)核將這個節(jié)點從LVS拓撲圖中移除。

1.6、memcached

—— 它是一個高性能分布式內(nèi)存對象緩存系統(tǒng)。當初是Danga Interactive為了LiveJournal快速發(fā)展開發(fā)的系統(tǒng)，用于對業(yè)務查詢數(shù)據(jù)緩存，減輕數(shù)據(jù)庫的負載。其守護進程(daemon)是用C寫的，但是客戶端支持幾乎所有語言(客戶端基本上有3種版本[memcache client for Java;spymemcached;xMecache])，服務端和客戶端通過簡單的協(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Terracotta公司開發(fā)的著名開源Java集群平臺。它在JVM與Java應用之間實現(xiàn)了一個專門處理集群功能的抽象層，允許用戶在不改變系統(tǒng)代碼的情況下實現(xiàn)java應用的集群。支持數(shù)據(jù)的持久化、session的復制以及高可用(HA)。

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