主流Web負(fù)載均衡技術(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)

1、 主流Web負(fù)載均衡技術(shù)的原理與實(shí)現(xiàn)什么是“均衡”？不能狹義地理解為分配給所有實(shí)際服務(wù)器一樣多的工作量，因?yàn)槎嗯_(tái)服務(wù)器的承載能力各不相同，這可能體現(xiàn)在硬件配置、網(wǎng)絡(luò)帶寬的差異，也可能因?yàn)槟撑_(tái)服務(wù)器身兼多職，我們所說的“均衡”，也就是希望所有服務(wù)器都不要過載，并且能夠最大程序地發(fā)揮作用。一、http重定向當(dāng)http代理（比如瀏覽器）向web服務(wù)器請(qǐng)求某個(gè)URL后，web服務(wù)器可以通過http響應(yīng)頭信息中的Location標(biāo)記來返回一個(gè)新的URL。這意味著HTTP代理需要繼續(xù)請(qǐng)求這個(gè)新的URL，完成自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。性能缺陷：1、吞吐率限制主站點(diǎn)服務(wù)器的吞吐率平均分配到了被轉(zhuǎn)移的服務(wù)器。現(xiàn)假設(shè)使用RR（R

2、ound Robin）調(diào)度策略，子服務(wù)器的最大吞吐率為1000reqs/s，那么主服務(wù)器的吞吐率要達(dá)到3000reqs/s才能完全發(fā)揮三臺(tái)子服務(wù)器的作用，那么如果有100臺(tái)子服務(wù)器，那么主服務(wù)器的吞吐率可想而知得有大？相反，如果主服務(wù)的最大吞吐率為6000reqs/s，那么平均分配到子服務(wù)器的吞吐率為2000reqs/s，而現(xiàn)子服務(wù)器的最大吞吐率為1000reqs/s，因此就得增加子服務(wù)器的數(shù)量，增加到6個(gè)才能滿足。2、重定向訪問深度不同有的重定向一個(gè)靜態(tài)頁面，有的重定向相比復(fù)雜的動(dòng)態(tài)頁面，那么實(shí)際服務(wù)器的負(fù)載差異是不可預(yù)料的，而主站服務(wù)器卻一無所知。因此整站使用重定向方法做負(fù)載均衡不太好。我

3、們需要權(quán)衡轉(zhuǎn)移請(qǐng)求的開銷和處理實(shí)際請(qǐng)求的開銷，前者相對(duì)于后者越小，那么重定向的意義就越大，例如下載。你可以去很多鏡像下載網(wǎng)站試下，會(huì)發(fā)現(xiàn)基本下載都使用了Location做了重定向。二、DNS負(fù)載均衡DNS負(fù)責(zé)提供域名解析服務(wù)，當(dāng)訪問某個(gè)站點(diǎn)時(shí)，實(shí)際上首先需要通過該站點(diǎn)域名的DNS服務(wù)器來獲取域名指向的IP地址，在這一過程中，DNS服務(wù)器完成了域名到IP地址的映射，同樣，這樣映射也可以是一對(duì)多的，這時(shí)候，DNS服務(wù)器便充當(dāng)了負(fù)載均衡調(diào)度器，它就像http重定向轉(zhuǎn)換策略一樣，將用戶的請(qǐng)求分散到多臺(tái)服務(wù)器上，但是它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制完全不同。使用dig命令來看下baidu的DNS設(shè)置可見baidu擁有三個(gè)A

4、記錄相比http重定向，基于DNS的負(fù)載均衡完全節(jié)省了所謂的主站點(diǎn)，或者說DNS服務(wù)器已經(jīng)充當(dāng)了主站點(diǎn)的職能。但不同的是，作為調(diào)度器，DNS服務(wù)器本身的性能幾乎不用擔(dān)心。因?yàn)镈NS記錄可以被用戶瀏覽器或者互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)商的各級(jí)DNS服務(wù)器緩存，只有當(dāng)緩存過期后才會(huì)重新向域名的DNS服務(wù)器請(qǐng)求解析。也說是DNS不存在http的吞吐率限制，理論上可以無限增加實(shí)際服務(wù)器的數(shù)量。特性:1、可以根據(jù)用戶IP來進(jìn)行智能解析。DNS服務(wù)器可以在所有可用的A記錄中尋找離用記最近的一臺(tái)服務(wù)器。2、動(dòng)態(tài)DNS：在每次IP地址變更時(shí)，及時(shí)更新DNS服務(wù)器。當(dāng)然，因?yàn)榫彺?，一定的延遲不可避免。不足：1、沒有用戶能直接

5、看到DNS解析到了哪一臺(tái)實(shí)際服務(wù)器，加服務(wù)器運(yùn)維人員的調(diào)試帶來了不便。2、策略的局限性。例如你無法將HTTP請(qǐng)求的上下文引入到調(diào)度策略中，而在前面介紹的基于HTTP重定向的負(fù)載均衡系統(tǒng)中，調(diào)度器工作在HTTP層面，它可以充分理解HTTP請(qǐng)求后根據(jù)站點(diǎn)的應(yīng)用邏輯來設(shè)計(jì)調(diào)度策略，比如根據(jù)請(qǐng)求不同的URL來進(jìn)行合理的過濾和轉(zhuǎn)移。3、如果要根據(jù)實(shí)際服務(wù)器的實(shí)時(shí)負(fù)載差異來調(diào)整調(diào)度策略，這需要DNS服務(wù)器在每次解析操作時(shí)分析各服務(wù)器的健康狀態(tài)，對(duì)于DNS服務(wù)器來說，這種自定義開發(fā)存在較高的門檻，更何況大多數(shù)站點(diǎn)只是使用第三方DNS服務(wù)。4、DNS記錄緩存，各級(jí)節(jié)點(diǎn)的DNS服務(wù)器不同程序的緩存會(huì)讓你暈頭轉(zhuǎn)向

6、。5、基于以上幾點(diǎn)，DNS服務(wù)器并不能很好地完成工作量均衡分配，最后，是否選擇基于DNS的負(fù)載均衡方式完全取決于你的需要。三、反向代理負(fù)載均衡這個(gè)肯定大家都有所接觸，因?yàn)閹缀跛兄髁鞯腤eb服務(wù)器都熱衷于支持基于反向代理的負(fù)載均衡。它的核心工作就是轉(zhuǎn)發(fā)HTTP請(qǐng)求。相比前面的HTTP重定向和DNS解析，反向代理的調(diào)度器扮演的是用戶和實(shí)際服務(wù)器中間人的角色：1、任何對(duì)于實(shí)際服務(wù)器的HTTP請(qǐng)求都必須經(jīng)過調(diào)度器2、調(diào)度器必須等待實(shí)際服務(wù)器的HTTP響應(yīng)，并將它反饋給用戶（前兩種方式不需要經(jīng)過調(diào)度反饋，是實(shí)際服務(wù)器直接發(fā)送給用戶）特性：1、調(diào)度策略豐富。例如可以為不同的實(shí)際服務(wù)器設(shè)置不同的權(quán)重，以達(dá)

7、到能者多勞的效果。2、對(duì)反向代理服務(wù)器的并發(fā)處理能力要求高，因?yàn)樗ぷ髟贖TTP層面。3、反向代理服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作本身是需要一定開銷的，比如創(chuàng)建線程、與后端服務(wù)器建立TCP連接、接收后端服務(wù)器返回的處理結(jié)果、分析HTTP頭部信息、用戶空間和內(nèi)核空間的頻繁切換等，雖然這部分時(shí)間并不長(zhǎng)，但是當(dāng)后端服務(wù)器處理請(qǐng)求的時(shí)間非常短時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)的開銷就顯得尤為突出。例如請(qǐng)求靜態(tài)文件，更適合使用前面介紹的基于DNS的負(fù)載均衡方式。4、反向代理服務(wù)器可以監(jiān)控后端服務(wù)器，比如系統(tǒng)負(fù)載、響應(yīng)時(shí)間、是否可用、TCP連接數(shù)、流量等，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)調(diào)整負(fù)載均衡的策略。5、反射代理服務(wù)器可以讓用戶在一次會(huì)話周期內(nèi)的所有請(qǐng)求

8、始終轉(zhuǎn)發(fā)到一臺(tái)特定的后端服務(wù)器上（粘滯會(huì)話），這樣的好處一是保持session的本地訪問，二是防止后端服務(wù)器的動(dòng)態(tài)內(nèi)存緩存的資源浪費(fèi)。四、IP負(fù)載均衡(LVS-NAT)因?yàn)榉聪虼矸?wù)器工作在HTTP層，其本身的開銷就已經(jīng)嚴(yán)重制約了可擴(kuò)展性，從而也限制了它的性能極限。那能否在HTTP層面以下實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡呢？NAT服務(wù)器:它工作在傳輸層，它可以修改發(fā)送來的IP數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址修改為實(shí)際服務(wù)器地址。從Linux2.4內(nèi)核開始，其內(nèi)置的Neftilter模塊在內(nèi)核中維護(hù)著一些數(shù)據(jù)包過濾表，這些表包含了用于控制數(shù)據(jù)包過濾的規(guī)則?？上驳氖?，Linux提供了iptables來對(duì)過濾表進(jìn)行插入、修

9、改和刪除等操作。更加令人振奮的是，Linux2.6.x內(nèi)核中內(nèi)置了IPVS模塊，它的工作性質(zhì)類型于Netfilter模塊，不過它更專注于實(shí)現(xiàn)IP負(fù)載均衡。想知道你的服務(wù)器內(nèi)核是否已經(jīng)安裝了IPVS模塊，可以有輸出意味著IPVS已經(jīng)安裝了。IPVS的管理工具是ipvsadm，它為提供了基于命令行的配置界面，可以通過它快速實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡系統(tǒng)。這就是大名鼎鼎的LVS(Linux Virtual Server，Linux虛擬服務(wù)器)。1、打開調(diào)度器的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)選項(xiàng)echo 1 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward2、檢查實(shí)際服務(wù)器是否已經(jīng)將NAT服務(wù)器作為自己的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，如果不是，

10、如添加route add default gw xx.xx.xx.xx3、使用ipvsadm配置ipvsadm -A -t 1:80 -s rr 添加一臺(tái)虛擬服務(wù)器，-t 后面是服務(wù)器的外網(wǎng)ip和端口，-s rr是指采用簡(jiǎn)單輪詢的RR調(diào)度策略（這屬于靜態(tài)調(diào)度策略，除此之外，LVS還提供了系列的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，比如最小連接（LC）、帶權(quán)重的最小連接（WLC），最短期望時(shí)間延遲（SED）等）ipvsadm -a -t 1:80 -r 10:8000 -m ipvsadm -a -t 1:80 -r 11:8000 -m 添加兩臺(tái)實(shí)際服務(wù)器（不需要有外網(wǎng)ip），-r后面是實(shí)際服務(wù)器的內(nèi)網(wǎng)ip和端口，-

11、m表示采用NAT方式來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包運(yùn)行ipvsadm -L -n可以查看實(shí)際服務(wù)器的狀態(tài)。這樣就大功告成了。實(shí)驗(yàn)證明使用基于NAT的負(fù)載均衡系統(tǒng)。作為調(diào)度器的NAT服務(wù)器可以將吞吐率提升到一個(gè)新的高度，幾乎是反向代理服務(wù)器的兩倍以上，這大多歸功于在內(nèi)核中進(jìn)行請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)的較低開銷。但是一旦請(qǐng)求的內(nèi)容過大時(shí)，不論是基于反向代理還是NAT，負(fù)載均衡的整體吞吐量都差距不大，這說明對(duì)于一睦開銷較大的內(nèi)容，使用簡(jiǎn)單的反向代理來搭建負(fù)載均衡系統(tǒng)是值考慮的。這么強(qiáng)大的系統(tǒng)還是有它的瓶頸，那就是NAT服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然如果你不差錢，可以去花錢去購買千兆交換機(jī)或萬兆交換機(jī)，甚至負(fù)載均衡硬件

12、設(shè)備，但如果你是個(gè)屌絲，咋辦？一個(gè)簡(jiǎn)單有效的辦法就是將基于NAT的集群和前面的DNS混合使用，比如個(gè)100Mbps出口寬帶的集群，然后通過DNS來將用戶請(qǐng)求均衡地指向這些集群，同時(shí)，你還可以利用DNS智能解析實(shí)現(xiàn)地域就近訪問。這樣的配置對(duì)于大多數(shù)業(yè)務(wù)是足夠了，但是對(duì)于提供下載或視頻等服務(wù)的大規(guī)模站點(diǎn)，NAT服務(wù)器還是不夠出色。五、直接路由(LVS-DR)NAT是工作在網(wǎng)絡(luò)分層模型的傳輸層（第四層），而直接路由是工作在數(shù)據(jù)鏈路層（第二層），貌似更屌些。它通過修改數(shù)據(jù)包的目標(biāo)MAC地址（沒有修改目標(biāo)IP），將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)際服務(wù)器上，不同的是，實(shí)際服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)包將直接發(fā)送給客戶羰，而不經(jīng)過調(diào)度

13、器。1、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置這里假設(shè)一臺(tái)負(fù)載均衡調(diào)度器，兩臺(tái)實(shí)際服務(wù)器，購買三個(gè)外網(wǎng)ip，一臺(tái)機(jī)一個(gè)，三臺(tái)機(jī)的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)需要相同，最后再設(shè)置同樣的ip別名，這里假設(shè)別名為93。這樣一來，將通過93這個(gè)IP別名來訪問調(diào)度器，你可以將站點(diǎn)的域名指向這個(gè)IP別名。2、將ip別名添加到回環(huán)接口lo上這是為了讓實(shí)際服務(wù)器不要去尋找其他擁有這個(gè)IP別名的服務(wù)器，在實(shí)際服務(wù)器中運(yùn)行：另外還要防止實(shí)際服務(wù)器響應(yīng)來自網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)IP別名的ARP廣播，為此還要執(zhí)行：echo 1 /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignoreecho 2 /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_a

14、nnounceecho 1 /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignoreecho 1 /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce配置完了就可以使用ipvsadm配置LVS-DR集群了ipvsadm -A -t 93:80 -s rr ipvsadm -a -t93:80 -r 10:8000 -g ipvsadm -a -t93:80 -r 11:8000 -g -g 就意味著使用直接路由的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包LVS-DR 相較于LVS-NAT的最大優(yōu)勢(shì)在于LVS-DR不受調(diào)度器寬帶的限制，例如假設(shè)三臺(tái)服務(wù)器在WAN交換機(jī)出口寬帶

15、都限制為10Mbps，只要對(duì)于連接調(diào)度器和兩臺(tái)實(shí)際服務(wù)器的LAN交換機(jī)沒有限速，那么，使用LVS-DR理論上可以達(dá)到20Mbps的最大出口寬帶，因?yàn)樗膶?shí)際服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)包可以不經(jīng)過調(diào)度器而直接發(fā)往用戶端啊，所以它與調(diào)度器的出口寬帶沒有關(guān)系，只能自身的有關(guān)系。而如果使用LVS-NAT，集群只能最大使用10Mbps的寬帶。所以，越是響應(yīng)數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的服務(wù)，就越應(yīng)該降低調(diào)度器轉(zhuǎn)移請(qǐng)求的開銷，也就越能提高整體的擴(kuò)展能力，最終也就越依賴于WAN出口寬帶。總的來說，LVS-DR適合搭建可擴(kuò)展的負(fù)載均衡系統(tǒng)，不論是Web服務(wù)器還是文件服務(wù)器，以及視頻服務(wù)器，它都擁有出色的性能。前提是你必須為實(shí)際器購買一系列的合法IP地址。六、IP隧道(LVS-TUN)基于IP隧道的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制：將調(diào)度器收到的IP數(shù)據(jù)包封裝在一個(gè)新的IP數(shù)據(jù)包中，轉(zhuǎn)交給實(shí)際服務(wù)器，然后實(shí)際服務(wù)器的響應(yīng)數(shù)據(jù)包可以直接到達(dá)用戶端。