高性能負載均衡的分類和算法

高性能集群之所以復雜，主要原因是增加了任務分配器，以及為任務選擇合適的分配算法。負載均衡器就是任務分配器，負載均衡這個名稱已經(jīng)成為事實標準，但負載均衡不只是為了計算單元的負載達到均衡狀態(tài)。

分類及架構(gòu)

常見的負載均衡分三種：DNS負載、硬件負載、軟件負載

1、DNS負載均衡

定義：解析同一個域名返回不同的IP地址，一般用來實現(xiàn)地理級別的均衡。例如同樣的域名，北方用戶和南方用戶獲取的地址是不一樣的。

優(yōu)點：
簡單、成本低
實現(xiàn)就近訪問，提升訪問速度

缺點：
更新不及時（DNS緩存時間長）
擴展性差（無法根據(jù)業(yè)務定制和擴展）
分配策略簡單（算法少、無法感知后端服務器狀態(tài)）

2、硬件負載均衡

定義：通過單獨的硬件設備實現(xiàn)負載均衡功能，可以理解為一個用于負載均衡的基礎網(wǎng)絡設備。目前業(yè)界典型的硬件負載均衡設備有兩款：F5 和 A10。

優(yōu)點：
功能強大（支持各層級負載、支持全面的負載算法、支持全局負載）
性能強大（支持100萬以上并發(fā)）
穩(wěn)定性高（商用硬件負載）
支持安全防護（具備防火墻、防DDoS攻擊等功能）

缺點：
價格昂貴（起步15萬，最高上百萬）
擴展能力差（硬件設備無法進行擴展和定制）

3、軟件負載均衡

定義：通過負載均衡軟件來實現(xiàn)負載均衡功能，常見的有 Nginx 和 LVS兩種。

優(yōu)點：
簡單（部署維護都比較簡單）
便宜（只需Linux服務器裝上軟件）
靈活（可根據(jù)業(yè)務方便擴展和定制）

缺點（與硬件負載相比）：
性能一般（一個Nginx大約支撐5萬并發(fā)）
功能沒有硬件負載強大
一般不具備防火墻和防DDoS等安全功能

4、典型架構(gòu)

3種負載機制在實際應用中不是非此即彼，可以組合使用。
組合的基本原則為：DNS 負載均衡用于實現(xiàn)地理級別的負載均衡；硬件負載均衡用于實現(xiàn)集群級別的負載均衡；軟件負載均衡用于實現(xiàn)機器級別的負載均衡。

算法

根據(jù)算法期望達到的目的，可以分為4類：
任務平分類：平均分配，平均可以是數(shù)量平均、也可以是比例平均、權重平均
負載均衡類：根據(jù)服務器負載進行分配，這里的負載指系統(tǒng)當前壓力，如CPU負載、連接數(shù)、I/O使用率等
性能最優(yōu)類：根據(jù)服務器響應時間進行分配，響應最快的分配更多新任務
Hash類：根據(jù)任務某些關鍵信息進行Hash運算，結(jié)果值相同的分配同一臺服務器

1、輪詢

定義：按照順序輪流分配到服務器，不關注服務器本身運行狀態(tài)如何。
特點：只關注服務器是否在運行，只要運行就分配任務，不管運行是否良好?！汉唵巍皇莾?yōu)點，也是缺點。

2、加權輪詢

定義：輪詢的特殊形式，根據(jù)服務器權重進行任務分配，權重指根據(jù)硬件配置進行靜態(tài)配置的，主要目的是為了解決不同服務器處理能力有差異的問題。
特點：解決了輪詢算法中無法根據(jù)服務器的配置差異進行任務分配的問題，但依然無法根據(jù)服務器的狀態(tài)差異進行任務分配。

3、負載最低優(yōu)先

定義：將任務分配給當前負載最低的服務器，這里的當前負載根據(jù)不同任務類型和業(yè)務，可以用不同指標衡量。如連接數(shù)、HTTP請求數(shù)、CPU負載、I/O負載等。
特點：解決了輪詢算法中無法感知服務器狀態(tài)的問題，代價是增加很多復雜度，因為需要感知服務器當前的運行狀態(tài)。效果美好但實際應用場景沒有輪詢多。

4、性能最優(yōu)類

定義：站在客戶端的角度進行分配，優(yōu)先將任務分配給處理速度最快的服務器。
特點：與負載最低優(yōu)先類的算法類似，需要感知服務器狀態(tài)并且在合適周期內(nèi)進行統(tǒng)計分析，復雜度很高。

5、Hash類

定義：根據(jù)任務中的某些關鍵信息進行 Hash 運算，將值相同的請求分配到同一臺服務器，目的主要是為了滿足特定業(yè)務需求。常見的有源地址Hash和ID Hash。
特點：將同一個源地址或帶有某個ID標識的任務分配給同一個服務器，適合于存在事務、會話的業(yè)務

審核編輯：湯梓紅