系统架构——分布式架构负载均衡系统设计实战

摘要

关于“负载均衡”的解释，百度词条里：负载均衡，英文叫Load Balance，意思就是将请求或者数据分摊到多个操作单元上进行执行，共同完成工作任务。负载均衡（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。

负载均衡有两方面的含义：

• 首先，大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；
• 其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。

目前负载均衡技术大多数是用于提高诸如在Web服务器、FTP服务器和其它关键任务服务器上的Internet服务器程序的可用性和可伸缩性。总之，它的目的就通过调度集群，达到最佳化资源使用，最大化吞吐率，最小化响应时间，避免单点过载的问题。

一、负载均衡分类

二、二层负载均衡

三、三层负载均衡

四、四层负载均衡

五、七层负载均衡

六、四层负载均衡和七层负载均衡的区别

七、负载均衡技术的常见具体应用方案

八、常用的负载均衡算法

常用的负载均衡算法分为两类：

• 一种是静态负载均衡。
• 一种是动态负载均衡。

8.1 轮询算法

将请求按顺序轮流地分配到每个节点上，不关心每个节点实际的连接数和当前的系统负载。

• 优点：简单高效，易于水平扩展，每个节点满足字面意义上的均衡；
• 缺点：没有考虑机器的性能问题，根据木桶最短木板理论，集群性能瓶颈更多的会受性能差的服务器影响。

8.2 随机算法

将请求随机分配到各个节点。由概率统计理论得知，随着客户端调用服务端的次数增多，其实际效果越来越接近于平均分配，也就是轮询的结果。

优缺点和轮询相似。

8.3 Hash源地址算法

源地址哈希的思想是根据客户端的IP地址，通过哈希函数计算得到一个数值，用该数值对服务器节点数进行取模，得到的结果便是要访问节点序号。采用源地址哈希法进行负载均衡，同一IP地址的客户端，当后端服务器列表不变时，它每次都会落到到同一台服务器进行访问。

• 优点：相同的IP每次落在同一个节点，可以人为干预客户端请求方向，例如灰度发布；
• 缺点：如果某个节点出现故障，会导致这个节点上的客户端无法使用，无法保证高可用。当某一用户成为热点用户，那么会有巨大的流量涌向这个节点，导致冷热分布不均衡，无法有效利用起集群的性能。所以当热点事件出现时，一般会将源地址哈希法切换成轮询法。

8.4 加权轮询算法

不同的后端服务器可能机器的配置和当前系统的负载并不相同，因此它们的抗压能力也不相同。给配置高、负载低的机器配置更高的权重，让其处理更多的请；而配置低、负载高的机器，给其分配较低的权重，降低其系统负载，加权轮询能很好地处理这一问题，并将请求顺序且按照权重分配到后端。

加权轮询算法要生成一个服务器序列，该序列中包含n个服务器。n是所有服务器的权重之和。在该序列中，每个服务器的出现的次数，等于其权重值。并且，生成的序列中，服务器的分布应该尽可能的均匀。比如序列{a, a, a, a, a, b, c}中，前五个请求都会分配给服务器a，这就是一种不均匀的分配方法，更好的序列应该是：{a, a, b, a, c, a, a}。

• 优点：可以将不同机器的性能问题纳入到考量范围，集群性能最优最大化；
• 缺点：生产环境复杂多变，服务器抗压能力也无法精确估算，静态算法导致无法实时动态调整节点权重，只能粗糙优化。

8.5 加权随机算法

与加权轮询法一样，加权随机法也根据后端机器的配置，系统的负载分配不同的权重。不同的是，它是按照权重随机请求后端服务器，而非顺序。

8.6 键值范围算法

根据键的范围进行负债，比如0到10万的用户请求走第一个节点服务器，10万到20万的用户请求走第二个节点服务器……以此类推。

• 优点：容易水平扩展，随着用户量增加，可以增加节点而不影响旧数据；
• 缺点：容易负债不均衡，比如新注册的用户活跃度高，旧用户活跃度低，那么压力就全在新增的服务节点上，旧服务节点性能浪费。而且也容易单点故障，无法满足高可用。

8.7 最小连接数

根据每个节点当前的连接情况，动态地选取其中当前积压连接数最少的一个节点处理当前请求，尽可能地提高后端服务的利用效率，将请求合理地分流到每一台服务器。俗称闲的人不能闲着，大家一起动起来。

• 优点：动态，根据节点状况实时变化；
• 缺点：提高了复杂度，每次连接断开需要进行计数；
• 实现：将连接数的倒数当权重值。

8.8 快速响应算法

根据请求的响应时间，来动态调整每个节点的权重，将响应速度快的服务节点分配更多的请求，响应速度慢的服务节点分配更少的请求，俗称能者多劳，扶贫救弱。

• 优点：动态，实时变化，控制的粒度更细，跟灵敏；
• 缺点：复杂度更高，每次需要计算请求的响应速度；
• 实现：可以根据响应时间进行打分，计算权重。

8.9 观察者模式算法

观察者模式是综合了最小连接数和最快响应度，同时考量这两个指标数，进行一个权重的分配。 

博文参考

• 《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
• 《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
• 《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
• 《高性能网络编程(七)：到底什么是高并发？一文即懂！》
• 《腾讯资深架构师干货总结：一文读懂大型分布式系统设计的方方面面》
• 《快速理解高性能HTTP服务端的负载均衡技术原理》
• 《新手入门：零基础理解大型分布式架构的演进历史、技术原理、最佳实践》
• 《通俗易懂：基于集群的移动端IM接入层负载均衡方案分享》
• 《IM开发基础知识补课：正确理解前置HTTP SSO单点登陆接口的原理》

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