負載均衡原理最全詳解 -萬字圖文總結-

大家好，我是 mikechen。

負載均衡是大型架構的關鍵技術，也是大廠重點考察方向，下面我就全面來詳解負載均衡原理 @mikechen

負載均衡

負載均衡，全稱是 Load Balancing，很多時候我們簡稱 “LB”，它可以在多個服務器、或其他資源之間，分配工作負載。

如下圖所示：

通過增加服務器數量，比如：上圖的 tomcat-node1、tomcat-node2、tomcat-node3... 等服務器。

然後通過 Nginx 負載均衡技術，來有提高系統的處理能力、和可靠性，這就是典型的負載均衡。

負載均衡原理

客戶端的請求，首先到達負載均衡器，然後負載均衡器根據**：調度算法，**將請求分發到不同的服務器上。

如下圖所示：

這裏的 “調度算法”，典型的有：輪詢 (Round Robin)、加權輪詢 (Weighted Round Robin)、最小連接數 (Least Connections)... 等等。

輪詢 (Round Robin)

輪詢算法：是最簡單的一種負載均衡算法，它將請求按順序分配給每一個服務器，循環進行。

優點：

實現簡單；適用於服務器性能相近的情況。

缺點：

未考慮服務器當前的負載和處理能力，不適用於服務器性能差異較大的場景。

應用：

適用於性能相近的服務器。

加權輪詢 (Weighted Round Robin)

加權輪詢算法：在輪詢的基礎上，爲每個服務器分配一個權重，權重越高的服務器接收的請求越多。

如下圖所示：

負載均衡器按照設定的權重值，將客戶端的請求依次分發給後端服務器，權重大的服務器在每輪輪詢中接收的請求更多。

還是，還是舉一個例子：

在這種情況下，負載均衡器會按照以下順序分發 10 個請求：A, A, A, A, A, B, B, B, C, C。

加權輪詢，適用於以下場景：

系統中包含不同性能的服務器，需要根據其處理能力分配不同數量的請求。

最小連接數 (Least Connections)

優先將請求分配給當前連接數最少的服務器，適用於長連接應用。

如下圖所示：

例如，假設有三臺服務器 A、B、C，當前連接數分別爲 3、5、2。

當一個新請求到達時，該請求將被分配給服務器 C，因爲它的活動連接數最少。

最少連接算法，適用於以下場景：

  1. 長連接應用：如數據庫連接、視頻流媒體、聊天服務... 等需要長時間保持連接的應用，在這些場景中，最少連接算法能較好地平衡負載；

  2. 性能異構的服務器：當服務器性能差異不大，但負載波動較大時，最少連接算法能動態調整負載分配，避免某些服務器過載；

  3. 需要高實時性負載均衡的應用：如實時遊戲、在線交易...... 等需要快速響應的應用，通過最少連接算法能減少響應時間，提高用戶體驗。

IP 哈希 (IP Hash)

IP 哈希（IP Hash）是一種負載均衡算法，通過對客戶端 IP 地址進行哈希運算，將請求分配到特定的服務器。

負載均衡器使用一個哈希函數，將客戶端的 IP 地址轉換爲一個整數值，根據哈希值對服務器數量取模，將客戶端請求分配給計算得到的服務器。

如下圖所示：

假設有：三臺服務器：Server A、Server B、Server C，客戶端 IP 地址是：192.168.0.1。

假如，哈希函數計算結果是：12345。

取模運算：12345 % 3 = 0，故請求分配給 Server A。

同一客戶端 IP 地址的請求總是分配給相同的服務器，非常適合需要保持會話狀態的應用。

負載均衡分類

負載均衡根據工作在網絡協議棧中的不同層次，可以分爲：二層（數據鏈路層）、三層（網絡層）、四層（傳輸層），以及七層（應用層）負載均衡。

如下圖所示：

1）二層負載均衡（數據鏈路層）

二層負載均衡工作在 OSI 模型的第二層，即數據鏈路層。

它通常基於 MAC 地址進行流量分發，利用交換機、或橋接器將數據包分發到不同的服務器。

主要用於小型局域網（LAN），在廣域網（WAN）環境... 中應用受限。

2）三層負載均衡（網絡層）

三層負載均衡工作在 OSI 模型的第三層，即網絡層，它基於 IP 地址進行流量分發。

3）四層負載均衡（傳輸層）

四層負載均衡工作在 OSI 模型的第四層，即傳輸層，它基於 TCP/UDP 協議，通過分析 IP 地址、和端口號進行流量分發。

常見的四層負載均衡器有：硬件設備（如 F5）、和軟件實現（如 HAProxy）。

4）七層負載均衡（應用層）

七層負載均衡工作在 OSI 模型的第七層，即應用層，它基於 HTTP/HTTPS 等應用層協議，通過分析 URL、Cookie、HTTP 頭信息等進行流量分發。

常見的七層負載均衡器有：Nginx、Apache、HAProxy...... 等。

每種負載均衡技術都有其特定的優勢和侷限性，選擇適合的負載均衡方案需要根據具體的應用需求、網絡環境和系統架構進行綜合考慮。

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/8xSgH-yT8UWOYriAZr3plA

猜你喜歡