當(dāng)前大多數(shù)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都使用了服務(wù)器集群技術(shù)，集群是將相同服務(wù)部署在多臺(tái)服務(wù)器上構(gòu)成一個(gè)集群整體對外提供服務(wù)。
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這些集群可以是 Web 應(yīng)用服務(wù)器集群，也可以是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群，還可以是分布式緩存服務(wù)器集群等等。
在實(shí)際應(yīng)用中，在 Web 服務(wù)器集群之前總會(huì)有一臺(tái)負(fù)載均衡服務(wù)器，負(fù)載均衡設(shè)備的任務(wù)就是作為 Web 服務(wù)器流量的入口，挑選最合適的一臺(tái) Web 服務(wù)器，將客戶端的請求轉(zhuǎn)發(fā)給它處理，實(shí)現(xiàn)客戶端到真實(shí)服務(wù)端的透明轉(zhuǎn)發(fā)。
最近幾年很火的云計(jì)算以及分布式架構(gòu)，本質(zhì)上也是將后端服務(wù)器作為計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源，由某臺(tái)管理服務(wù)器封裝成一個(gè)服務(wù)對外提供，客戶端不需要關(guān)心真正提供服務(wù)的是哪臺(tái)機(jī)器。
在它看來，就好像它面對的是一臺(tái)擁有近乎無限能力的服務(wù)器，而本質(zhì)上，真正提供服務(wù)的，是后端的集群。
LVS、Nginx、HAProxy 是目前使用很廣泛的三種軟件負(fù)載均衡軟件。一般對負(fù)載均衡的使用是隨著網(wǎng)站規(guī)模的提升根據(jù)不同的階段來使用不同的技術(shù)。
具體的應(yīng)用需求還得具體分析，如果是中小型的 Web 應(yīng)用，比如日 PV 小于 1000 萬，用 Nginx 就完全可以了。
如果機(jī)器不少，可以用 DNS 輪詢，LVS 所耗費(fèi)的機(jī)器還是比較多的;大型網(wǎng)站或重要的服務(wù)，且服務(wù)器比較多時(shí)，可以考慮用 LVS。
目前關(guān)于網(wǎng)站架構(gòu)一般比較合理流行的架構(gòu)方案：
- Web 前端采用 Nginx/HAProxy+Keepalived 作負(fù)載均衡器。
- 后端采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫一主多從和讀寫分離，采用 LVS+Keepalived 的架構(gòu)。
LVS
LVS 是 linux Virtual Server 的簡稱，也就是 Linux 虛擬服務(wù)器。現(xiàn)在 LVS 已經(jīng)是 Linux 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的一部分。
從 Linux 2.4 內(nèi)核以后，已經(jīng)完全內(nèi)置了 LVS 的各個(gè)功能模塊，無需給內(nèi)核打任何補(bǔ)丁，可以直接使用 LVS 提供的各種功能。
LVS 自從 1998 年開始，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)比較成熟的技術(shù)項(xiàng)目了。
LVS 的體系結(jié)構(gòu)：
LVS 架設(shè)的服務(wù)器集群系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：
- 最前端的負(fù)載均衡層，用 Load Balancer 表示。
- 中間的服務(wù)器集群層，用 Server Array 表示。
- 最底端的數(shù)據(jù)共享存儲(chǔ)層，用 Shared Storage 表示。
LVS 負(fù)載均衡機(jī)制
LVS 不像 HAProxy 等七層軟負(fù)載面向的是 HTTP 包，所以七層負(fù)載可以做的 URL 解析等工作，LVS 無法完成。
LVS 是四層負(fù)載均衡，也就是說建立在 OSI 模型的第四層，傳輸層之上，傳輸層上有我們熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP 的負(fù)載均衡。
因?yàn)?LVS 是四層負(fù)載均衡，因此它相對于其它高層負(fù)載均衡的解決辦法，比如 DNS 域名輪流解析、應(yīng)用層負(fù)載的調(diào)度、客戶端的調(diào)度等，它的效率是非常高的。
所謂四層負(fù)載均衡 ，也就是主要通過報(bào)文中的目標(biāo)地址和端口。七層負(fù)載均衡 ，也稱為“內(nèi)容交換”，也就是主要通過報(bào)文中的真正有意義的應(yīng)用層內(nèi)容。
LVS 的轉(zhuǎn)發(fā)主要通過修改 IP 地址(NAT 模式，分為源地址修改 SNAT 和目標(biāo)地址修改 DNAT)、修改目標(biāo) mac(DR 模式)來實(shí)現(xiàn)。
NAT 模式：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換
NAT(Network Address Translation)是一種外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)地址映射的技術(shù)。
NAT 模式下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)的進(jìn)出都要經(jīng)過 LVS 的處理。LVS 需要作為 RS(真實(shí)服務(wù)器)的網(wǎng)關(guān)。
當(dāng)包到達(dá) LVS 時(shí)，LVS 做目標(biāo)地址轉(zhuǎn)換(DNAT)，將目標(biāo) IP 改為 RS 的 IP。
RS 接收到包以后，仿佛是客戶端直接發(fā)給它的一樣。RS 處理完，返回響應(yīng)時(shí)，源 IP 是 RS IP，目標(biāo) IP 是客戶端的 IP。
這時(shí) RS 的包通過網(wǎng)關(guān)(LVS)中轉(zhuǎn)，LVS 會(huì)做源地址轉(zhuǎn)換(SNAT)，將包的源地址改為 VIP，這樣，這個(gè)包對客戶端看起來就仿佛是 LVS 直接返回給它的。
DR 模式：直接路由
DR 模式下需要 LVS 和 RS 集群綁定同一個(gè) VIP(RS 通過將 VIP 綁定在 loopback 實(shí)現(xiàn))。
但與 NAT 的不同點(diǎn)在于：請求由 LVS 接受，由真實(shí)提供服務(wù)的服務(wù)器(RealServer，RS)直接返回給用戶，返回的時(shí)候不經(jīng)過 LVS。
詳細(xì)來看，一個(gè)請求過來時(shí)，LVS 只需要將網(wǎng)絡(luò)幀的 MAC 地址修改為某一臺(tái) RS 的 MAC，該包就會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的 RS 處理，注意此時(shí)的源 IP 和目標(biāo) IP 都沒變，LVS 只是做了一下移花接木。
RS 收到 LVS 轉(zhuǎn)發(fā)來的包時(shí)，鏈路層發(fā)現(xiàn) MAC 是自己的，到上面的網(wǎng)絡(luò)層，發(fā)現(xiàn) IP 也是自己的，于是這個(gè)包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。
而當(dāng) RS 返回響應(yīng)時(shí)，只要直接向源 IP(即用戶的 IP)返回即可，不再經(jīng)過 LVS。
DR 負(fù)載均衡模式數(shù)據(jù)分發(fā)過程中不修改 IP 地址，只修改 Mac 地址，由于實(shí)際處理請求的真實(shí)物理 IP 地址和數(shù)據(jù)請求目的 IP 地址一致，所以不需要通過負(fù)載均衡服務(wù)器進(jìn)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(fù)載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬成為瓶頸。
因此，DR 模式具有較好的性能，也是目前大型網(wǎng)站使用廣泛的一種負(fù)載均衡手段。
LVS 的優(yōu)點(diǎn)如下：
- 抗負(fù)載能力強(qiáng)、是工作在傳輸層上僅作分發(fā)之用，沒有流量的產(chǎn)生，這個(gè)特點(diǎn)也決定了它在負(fù)載均衡軟件里的性能最強(qiáng)，對內(nèi)存和 CPU 資源消耗比較低。
- 配置性比較低，這是一個(gè)缺點(diǎn)也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闆]有可太多配置的東西，所以并不需要太多接觸，大大減少了人為出錯(cuò)的幾率。
- 工作穩(wěn)定，因?yàn)槠浔旧砜关?fù)載能力很強(qiáng)，自身有完整的雙機(jī)熱備方案，如 LVS + Keepalived。
- 無流量，LVS 只分發(fā)請求，而流量并不從它本身出去，這點(diǎn)保證了均衡器 IO 的性能不會(huì)受到大流量的影響。
- 應(yīng)用范圍比較廣，因?yàn)?LVS 工作在傳輸層，所以它幾乎可以對所有應(yīng)用做負(fù)載均衡，包括 HTTP、數(shù)據(jù)庫、在線聊天室等等。
LVS 的缺點(diǎn)如下：
- 軟件本身不支持正則表達(dá)式處理，不能做動(dòng)靜分離;而現(xiàn)在許多網(wǎng)站在這方面都有較強(qiáng)的需求，這個(gè)是 Nginx、HAProxy+Keepalived 的優(yōu)勢所在。
- 如果是網(wǎng)站應(yīng)用比較龐大的話，LVS/DR+Keepalived 實(shí)施起來就比較復(fù)雜了，相對而言，Nginx/HAProxy+Keepalived 就簡單多了。
Nginx
Nginx 是一個(gè)強(qiáng)大的 Web 服務(wù)器軟件，用于處理高并發(fā)的 HTTP 請求和作為反向代理服務(wù)器做負(fù)載均衡。
它具有高性能、輕量級(jí)、內(nèi)存消耗少，強(qiáng)大的負(fù)載均衡能力等優(yōu)勢。
Nignx 的架構(gòu)設(shè)計(jì)
相對于傳統(tǒng)基于進(jìn)程或線程的模型(Apache 就采用這種模型)在處理并發(fā)連接時(shí)會(huì)為每一個(gè)連接建立一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程或線程，且在網(wǎng)絡(luò)或者輸入/輸出操作時(shí)阻塞。
這將導(dǎo)致內(nèi)存和 CPU 的大量消耗，因?yàn)樾缕鹨粋€(gè)單獨(dú)的進(jìn)程或線程需要準(zhǔn)備新的運(yùn)行時(shí)環(huán)境，包括堆和棧內(nèi)存的分配，以及新的執(zhí)行上下文，當(dāng)然，這些也會(huì)導(dǎo)致多余的 CPU 開銷。
最終，會(huì)由于過多的上下文切換而導(dǎo)致服務(wù)器性能變差。反過來，Nginx 的架構(gòu)設(shè)計(jì)是采用模塊化的、基于事件驅(qū)動(dòng)、異步、單線程且非阻塞。
Nginx 大量使用多路復(fù)用和事件通知，Nginx 啟動(dòng)以后，會(huì)在系統(tǒng)中以 Daemon 的方式在后臺(tái)運(yùn)行，其中包括一個(gè) Master 進(jìn)程，n(n>=1) 個(gè) Worker 進(jìn)程。
所有的進(jìn)程都是單線程(即只有一個(gè)主線程)的，且進(jìn)程間通信主要使用共享內(nèi)存的方式。
其中，Master 進(jìn)程用于接收來自外界的信號(hào)，并給 Worker 進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，同時(shí)監(jiān)控 Worker 進(jìn)程的工作狀態(tài)。
Worker 進(jìn)程則是外部請求真正的處理者，每個(gè) Worker 請求相互獨(dú)立且平等的競爭來自客戶端的請求。
請求只能在一個(gè) Worker 進(jìn)程中被處理，且一個(gè) Worker 進(jìn)程只有一個(gè)主線程，所以同時(shí)只能處理一個(gè)請求。(原理同 Netty 很像)
Nginx 負(fù)載均衡
Nginx 負(fù)載均衡主要是對七層網(wǎng)絡(luò)通信模型中的第七層應(yīng)用層上的 HTTP、HTTPS 進(jìn)行支持。Nginx 是以反向代理的方式進(jìn)行負(fù)載均衡的。
反向代理(Reverse Proxy)方式是指以代理服務(wù)器來接受 Internet 上的連接請求，然后將請求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，并將從服務(wù)器上得到的結(jié)果返回給 Internet 上請求連接的客戶端，此時(shí)代理服務(wù)器對外就表現(xiàn)為一個(gè)服務(wù)器。
Nginx 實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的分配策略有很多，Nginx 的 Upstream 目前支持以下幾種方式：
- 輪詢(默認(rèn))：每個(gè)請求按時(shí)間順序逐一分配到不同的后端服務(wù)器，如果后端服務(wù)器 Down 掉，能自動(dòng)剔除。
- Weight：指定輪詢幾率，Weight 和訪問比率成正比，用于后端服務(wù)器性能不均的情況。
- IP_Hash：每個(gè)請求按訪問 IP 的 Hash 結(jié)果分配，這樣每個(gè)訪客固定訪問一個(gè)后端服務(wù)器，可以解決 Session 的問題。
- Fair(第三方)：按后端服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間來分配請求，響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)先分配。
- URL_Hash(第三方)：按訪問 URL 的 Hash 結(jié)果來分配請求，使每個(gè) URL 定向到同一個(gè)后端服務(wù)器，后端服務(wù)器為緩存時(shí)比較有效。
Nginx 的優(yōu)點(diǎn)如下：
- 跨平臺(tái)：Nginx 可以在大多數(shù) Unix like OS編譯運(yùn)行，而且也有 windows 的移植版本。
- 配置異常簡單：非常容易上手。配置風(fēng)格跟程序開發(fā)一樣，神一般的配置。
- 非阻塞、高并發(fā)連接：官方測試能夠支撐 5 萬并發(fā)連接，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中跑到 2～3 萬并發(fā)連接數(shù)。
- 事件驅(qū)動(dòng)：通信機(jī)制采用 Epoll 模型，支持更大的并發(fā)連接。
- Master/Worker 結(jié)構(gòu)：一個(gè) Master 進(jìn)程，生成一個(gè)或多個(gè) Worker 進(jìn)程。
- 內(nèi)存消耗小：處理大并發(fā)的請求內(nèi)存消耗非常小。在 3 萬并發(fā)連接下，開啟的 10 個(gè) Nginx 進(jìn)程才消耗 150M 內(nèi)存(15M*10=150M)。
- 內(nèi)置的健康檢查功能：如果 Nginx 代理的后端的某臺(tái) Web 服務(wù)器宕機(jī)了，不會(huì)影響前端訪問。
- 節(jié)省帶寬：支持 GZIP 壓縮，可以添加瀏覽器本地緩存的 Header 頭。
- 穩(wěn)定性高：用于反向代理，宕機(jī)的概率微乎其微。
Nginx 的缺點(diǎn)如下：
- Nginx 僅能支 持 HTTP、HTTPS 、TCP、 Email 等協(xié)議，這樣就在適用范圍上面小些，這個(gè)是它的缺點(diǎn)。
- 對后端服務(wù)器的健康檢查，只支持通過端口來檢測，不支持通過 URL 來檢測。不支持 Session 的直接保持，但能通過 IP_Hash 來解決。
HAProxy
HAProxy 支持兩種代理模式 TCP(四層)和 HTTP(七層)，也是支持虛擬主機(jī)的。
HAProxy 的優(yōu)點(diǎn)能夠補(bǔ)充 Nginx 的一些缺點(diǎn)，比如支持 Session 的保持，Cookie 的引導(dǎo);同時(shí)支持通過獲取指定的 URL 來檢測后端服務(wù)器的狀態(tài)。
HAProxy 跟 LVS 類似，本身就只是一款負(fù)載均衡軟件;單純從效率上來講 HAProxy 會(huì)比 Nginx 有更出色的負(fù)載均衡速度，在并發(fā)處理上也是優(yōu)于 Nginx 的。
HAProxy 支持 TCP 協(xié)議的負(fù)載均衡轉(zhuǎn)發(fā)，可以對 MySQL 讀進(jìn)行負(fù)載均衡，對后端的 MySQL 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測和負(fù)載均衡，大家可以用 LVS+Keepalived 對 MySQL 主從做負(fù)載均衡。
HAProxy 負(fù)載均衡策略非常多：
- Round-Robin(輪循)
- Weight-Round-Robin(帶權(quán)輪循)
- Source(原地址保持)
- RI(請求 URL)
- RDP-Cookie(根據(jù) Cookie)
Reference：
- 鐘武：https://zhongwuzw.github.io
- 王晨純：http://www.importnew.com/11229.html
- 周旭龍：http://edisonchou.cnblogs.com
