高性能負(fù)載均衡的分類和算法

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

分類及架構(gòu)

常見的負(fù)載均衡分三種：DNS負(fù)載、硬件負(fù)載、軟件負(fù)載

1、DNS負(fù)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(wù)定制和擴展）
分配策略簡單（算法少、無法感知后端服務(wù)器狀態(tài)）

2、硬件負(fù)載均衡

定義：通過單獨的硬件設(shè)備實現(xiàn)負(fù)載均衡功能，可以理解為一個用于負(fù)載均衡的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。目前業(yè)界典型的硬件負(fù)載均衡設(shè)備有兩款：F5 和 A10。

優(yōu)點：
功能強大（支持各層級負(fù)載、支持全面的負(fù)載算法、支持全局負(fù)載）
性能強大（支持100萬以上并發(fā)）
穩(wěn)定性高（商用硬件負(fù)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(shè)備無法進行擴展和定制）

3、軟件負(fù)載均衡

定義：通過負(fù)載均衡軟件來實現(xiàn)負(fù)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(wù)器裝上軟件）
靈活（可根據(jù)業(yè)務(wù)方便擴展和定制）

缺點（與硬件負(fù)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(fù)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(fù)載機制在實際應(yīng)用中不是非此即彼，可以組合使用。
組合的基本原則為：DNS 負(fù)載均衡用于實現(xiàn)地理級別的負(fù)載均衡；硬件負(fù)載均衡用于實現(xiàn)集群級別的負(fù)載均衡；軟件負(fù)載均衡用于實現(xiàn)機器級別的負(fù)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(wù)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(quán)重平均
負(fù)載均衡類：根據(jù)服務(wù)器負(fù)載進行分配，這里的負(fù)載指系統(tǒng)當(dāng)前壓力，如CPU負(fù)載、連接數(shù)、I/O使用率等
性能最優(yōu)類：根據(jù)服務(wù)器響應(yīng)時間進行分配，響應(yīng)最快的分配更多新任務(wù)
Hash類：根據(jù)任務(wù)某些關(guān)鍵信息進行Hash運算，結(jié)果值相同的分配同一臺服務(wù)器

1、輪詢

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

2、加權(quán)輪詢

定義：輪詢的特殊形式，根據(jù)服務(wù)器權(quán)重進行任務(wù)分配，權(quán)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(wù)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(wù)器的配置差異進行任務(wù)分配的問題，但依然無法根據(jù)服務(wù)器的狀態(tài)差異進行任務(wù)分配。

3、負(fù)載最低優(yōu)先

定義：將任務(wù)分配給當(dāng)前負(fù)載最低的服務(wù)器，這里的當(dāng)前負(fù)載根據(jù)不同任務(wù)類型和業(yè)務(wù)，可以用不同指標(biāo)衡量。如連接數(shù)、HTTP請求數(shù)、CPU負(fù)載、I/O負(fù)載等。
特點：解決了輪詢算法中無法感知服務(wù)器狀態(tài)的問題，代價是增加很多復(fù)雜度，因為需要感知服務(wù)器當(dāng)前的運行狀態(tài)。效果美好但實際應(yīng)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(wù)分配給處理速度最快的服務(wù)器。
特點：與負(fù)載最低優(yōu)先類的算法類似，需要感知服務(wù)器狀態(tài)并且在合適周期內(nèi)進行統(tǒng)計分析，復(fù)雜度很高。

5、Hash類

定義：根據(jù)任務(wù)中的某些關(guān)鍵信息進行 Hash 運算，將值相同的請求分配到同一臺服務(wù)器，目的主要是為了滿足特定業(yè)務(wù)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(biāo)識的任務(wù)分配給同一個服務(wù)器，適合于存在事務(wù)、會話的業(yè)務(wù)

審核編輯：湯梓紅