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大型網(wǎng)站架構(gòu)系列:負載均衡詳解

日期:2016-07-18點擊:2827
面對大量用戶訪問、高并發(fā)請求,海量數(shù)據(jù),可以使用高性能的服務(wù)器、大型數(shù)據(jù)庫,存儲設(shè)備,高性能Web服務(wù)器,采用高效率的編程語言比如(Go,Scala)等,當(dāng)單機容量達到極限時,我們需要考慮業(yè)務(wù)拆分和分布式部署,來解決大型網(wǎng)站訪問量大,并發(fā)量高,海量數(shù)據(jù)的問題。為此,廣州網(wǎng)站公司進行負載均衡詳解。

從單機網(wǎng)站到分布式網(wǎng)站,很重要的區(qū)別是業(yè)務(wù)拆分和分布式部署,將應(yīng)用拆分后,部署到不同的機器上,實現(xiàn)大規(guī)模分布式系統(tǒng)。分布式和業(yè)務(wù)拆分解決了,從集中到分布的問題,但是每個部署的獨立業(yè)務(wù)還存在單點的問題和訪問統(tǒng)一入口問題,為解決單點故障,我們可以采取冗余的方式。將相同的應(yīng)用部署到多臺機器上。解決訪問統(tǒng)一入口問題,我們可以在集群前面增加負載均衡設(shè)備,實現(xiàn)流量分發(fā)。

負載均衡(Load Balance),意思是將負載(工作任務(wù),訪問請求)進行平衡、分攤到多個操作單元(服務(wù)器,組件)上進行執(zhí)行。是解決高性能,單點故障(高可用),擴展性(水平伸縮)的終極解決方案。

本次分享大綱

  1. 負載均衡原理
  2. DNS負載均衡
  3. HTTP負載均衡
  4. IP負載均衡
  5. 鏈路層負載均衡
  6. 混合型P負載均衡

一、負載均衡原理

系統(tǒng)的擴展可分為縱向(垂直)擴展和橫向(水平)擴展。縱向擴展,是從單機的角度通過增加硬件處理能力,比如CPU處理能力,內(nèi)存容量,磁盤等方面,實現(xiàn)服務(wù)器處理能力的提升,不能滿足大型分布式系統(tǒng)(網(wǎng)站),大流量,高并發(fā),海量數(shù)據(jù)的問題。因此需要采用橫向擴展的方式,通過添加機器來滿足大型網(wǎng)站服務(wù)的處理能力。

比如:一臺機器不能滿足,則增加兩臺或者多臺機器,共同承擔(dān)訪問壓力。這就是典型的集群和負載均衡架構(gòu):如下圖:
 

應(yīng)用集群:將同一應(yīng)用部署到多臺機器上,組成處理集群,接收負載均衡設(shè)備分發(fā)的請求,進行處理,并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)。
負載均衡設(shè)備:將用戶訪問的請求,根據(jù)負載均衡算法,分發(fā)到集群中的一臺處理服務(wù)器。(一種把網(wǎng)絡(luò)請求分散到一個服務(wù)器集群中的可用服務(wù)器上去的設(shè)備)
負載均衡的作用(解決的問題):
負載均衡的作用(解決的問題):
 
1.解決并發(fā)壓力,提高應(yīng)用處理性能(增加吞吐量,加強網(wǎng)絡(luò)處理能力);
 
2.提供故障轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)高可用;
 
3.通過添加或減少服務(wù)器數(shù)量,提供網(wǎng)站伸縮性(擴展性);
 
4.安全防護;(負載均衡設(shè)備上做一些過濾,黑白名單等處理)
 
二、負載均衡分類

根據(jù)實現(xiàn)技術(shù)不同,可分為DNS負載均衡,HTTP負載均衡,IP負載均衡,鏈路層負載均衡等。

2.1DNS負載均衡

最早的負載均衡技術(shù),利用域名解析實現(xiàn)負載均衡,在DNS服務(wù)器,配置多個A記錄,這些A記錄對應(yīng)的服務(wù)器構(gòu)成集群。大型網(wǎng)站總是部分使用DNS解析,作為第一級負載均衡。如下圖:


優(yōu)點
 
使用簡單:負載均衡工作,交給DNS服務(wù)器處理,省掉了負載均衡服務(wù)器維護的麻煩
提高性能:可以支持基于地址的域名解析,解析成距離用戶最近的服務(wù)器地址,可以加快訪問速度,改善性能;
缺點
 
可用性差:DNS解析是多級解析,新增/修改DNS后,解析時間較長;解析過程中,用戶訪問網(wǎng)站將失敗;
擴展性低:DNS負載均衡的控制權(quán)在域名商那里,無法對其做更多的改善和擴展;
維護性差:也不能反映服務(wù)器的當(dāng)前運行狀態(tài);支持的算法少;不能區(qū)分服務(wù)器的差異(不能根據(jù)系統(tǒng)與服務(wù)的狀態(tài)來判斷負載)
實踐建議

將DNS作為第一級負載均衡,A記錄對應(yīng)著內(nèi)部負載均衡的IP地址,通過內(nèi)部負載均衡將請求分發(fā)到真實的Web服務(wù)器上。一般用于互聯(lián)網(wǎng)公司,復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)不合適使用。如下圖:


1.3  IP負載均衡

在網(wǎng)絡(luò)層通過修改請求目標地址進行負載均衡。

用戶請求數(shù)據(jù)包,到達負載均衡服務(wù)器后,負載均衡服務(wù)器在操作系統(tǒng)內(nèi)核進程獲取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,根據(jù)負載均衡算法得到一臺真實服務(wù)器地址,然后將請求目的地址修改為,獲得的真實ip地址,不需要經(jīng)過用戶進程處理。

真實服務(wù)器處理完成后,響應(yīng)數(shù)據(jù)包回到負載均衡服務(wù)器,負載均衡服務(wù)器,再將數(shù)據(jù)包源地址修改為自身的ip地址,發(fā)送給用戶瀏覽器。如下圖:

IP負載均衡,真實物理服務(wù)器返回給負載均衡服務(wù)器,存在兩種方式:
 
(1)負載均衡服務(wù)器在修改目的ip地址的同時修改源地址。將數(shù)據(jù)包源地址設(shè)為自身盤,即源地址轉(zhuǎn)換(snat)。
 
(2)將負載均衡服務(wù)器同時作為真實物理服務(wù)器集群的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。
 
優(yōu)點:
 
(1)在內(nèi)核進程完成數(shù)據(jù)分發(fā),比在應(yīng)用層分發(fā)性能更好;
 
缺點:
 
(2)所有請求響應(yīng)都需要經(jīng)過負載均衡服務(wù)器,集群最大吞吐量受限于負載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬;
 
2.4鏈路層負載均衡

在通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層修改mac地址,進行負載均衡。
 
數(shù)據(jù)分發(fā)時,不修改ip地址,指修改目標mac地址,配置真實物理服務(wù)器集群所有機器虛擬ip和負載均衡服務(wù)器ip地址一致,達到不修改數(shù)據(jù)包的源地址和目標地址,進行數(shù)據(jù)分發(fā)的目的。
 
實際處理服務(wù)器ip和數(shù)據(jù)請求目的ip一致,不需要經(jīng)過負載均衡服務(wù)器進行地址轉(zhuǎn)換,可將響應(yīng)數(shù)據(jù)包直接返回給用戶瀏覽器,避免負載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬成為瓶頸。也稱為直接路由模式(DR模式)。如下圖:


優(yōu)點:性能好;
 
缺點:配置復(fù)雜;
 
實踐建議:DR模式是目前使用最廣泛的一種負載均衡方式。
 
2.5混合型負載均衡
 
由于多個服務(wù)器群內(nèi)硬件設(shè)備、各自的規(guī)模、提供的服務(wù)等的差異,可以考慮給每個服務(wù)器群采用最合適的負載均衡方式,然后又在這多個服務(wù)器群間再一次負載均衡或群集起來以一個整體向外界提供服務(wù)(即把這多個服務(wù)器群當(dāng)做一個新的服務(wù)器群),從而達到最佳的性能。將這種方式稱之為混合型負載均衡。
 
此種方式有時也用于單臺均衡設(shè)備的性能不能滿足大量連接請求的情況下。是目前大型互聯(lián)網(wǎng)公司,普遍使用的方式。
 
方式一,如下圖:

以上模式適合有動靜分離的場景,反向代理服務(wù)器(集群)可以起到緩存和動態(tài)請求分發(fā)的作用,當(dāng)時靜態(tài)資源緩存在代理服務(wù)器時,則直接返回到瀏覽器。如果動態(tài)頁面則請求后面的應(yīng)用負載均衡(應(yīng)用集群)。
 
方式二,如下圖:

以上模式,適合動態(tài)請求場景。
 
因混合模式,可以根據(jù)具體場景,靈活搭配各種方式,以上兩種方式僅供參考。
 
三、負載均衡算法
 
常用的負載均衡算法有,輪詢,隨機,最少鏈接,源地址散列,加權(quán)等方式;
 
3.1 輪詢
 
將所有請求,依次分發(fā)到每臺服務(wù)器上,適合服務(wù)器硬件同相同的場景。
 
優(yōu)點:服務(wù)器請求數(shù)目相同;
 
缺點:服務(wù)器壓力不一樣,不適合服務(wù)器配置不同的情況;
 
3.2 隨機
 
請求隨機分配到各個服務(wù)器。
 
優(yōu)點:使用簡單;
 
缺點:不適合機器配置不同的場景;
 
3.3 最少鏈接
 
將請求分配到連接數(shù)最少的服務(wù)器(目前處理請求最少的服務(wù)器)。
 
優(yōu)點:根據(jù)服務(wù)器當(dāng)前的請求處理情況,動態(tài)分配;
 
缺點:算法實現(xiàn)相對復(fù)雜,需要監(jiān)控服務(wù)器請求連接數(shù);
 
3.4 Hash(源地址散列)
 
根據(jù)IP地址進行Hash計算,得到IP地址。
 
優(yōu)點:將來自同一IP地址的請求,同一會話期內(nèi),轉(zhuǎn)發(fā)到相同的服務(wù)器;實現(xiàn)會話粘滯。
 
缺點:目標服務(wù)器宕機后,會話會丟失;
 
3.5 加權(quán)
 
在輪詢,隨機,最少鏈接,Hash’等算法的基礎(chǔ)上,通過加權(quán)的方式,進行負載服務(wù)器分配。
 
優(yōu)點:根據(jù)權(quán)重,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的請求數(shù)目;
 
缺點:使用相對復(fù)雜;
 
四、硬件負載均衡
 
采用硬件的方式實現(xiàn)負載均衡,一般是單獨的負載均衡服務(wù)器,價格昂貴,一般土豪級公司可以考慮,業(yè)界領(lǐng)先的有兩款,F(xiàn)5和A10。
 
使用硬件負載均衡,主要考慮一下幾個方面:
 
(1)功能考慮:功能全面支持各層級的負載均衡,支持全面的負載均衡算法,支持全局負載均衡;
 
(2)性能考慮:一般軟件負載均衡支持到5萬級并發(fā)已經(jīng)很困難了,硬件負載均衡可以支持
 
(3)穩(wěn)定性:商用硬件負載均衡,經(jīng)過了良好的嚴格的測試,從經(jīng)過大規(guī)模使用,在穩(wěn)定性方面高;
 
(4)安全防護:硬件均衡設(shè)備除具備負載均衡功能外,還具備防火墻,防DDOS攻擊等安全功能;
 
(5)維護角度:提供良好的維護管理界面,售后服務(wù)和技術(shù)支持;
 
(6)土豪公司:F5 Big Ip 價格:15w~55w不等;A10 價格:55w-100w不等;
 
缺點
 
(1)價格昂貴;
 
(2)擴展能力差;
 
4.4小結(jié)
 
(1)一般硬件的負載均衡也要做雙機高可用,因此成本會比較高。
 
(2)互聯(lián)網(wǎng)公司一般使用開源軟件,因此大部分應(yīng)用采用軟件負載均衡;部分采用硬件負載均衡。
 
比如某互聯(lián)網(wǎng)公司,目前是使用幾臺F5做全局負載均衡,內(nèi)部使用Nginx等軟件負載均衡。
 
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