负载均衡原理最全详解(万字图文总结)

来源：mikechen的负载互联网架构

负载均衡是大型架构必经之路，也是均衡大厂最喜欢考察的内容，下面我就全面来详解负载均衡

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为什么需要负载均衡

当系统面临大量用户访问，原理负载过高的最全总结时候，通常会使用增加服务器数量来进行横向扩展，详解使用集群和负载均衡提高整个系统的图文处理能力。

从单机网站到分布式网站，负载很重要的均衡区别是业务拆分和分布式部署，将应用拆分后，原理部署到不同的最全总结机器上，实现大规模分布式系统。详解

分布式和业务拆分解决了，图文从集中到分布的负载问题，但是均衡每个部署的独立业务还存在单点的问题和访问统一入口问题，为解决单点故障，原理我们可以采取冗余的方式，将相同的应用部署到多台机器上。

解决访问统一入口问题，我们可以在集群前面增加负载均衡设备，亿华云计算实现流量分发。

负载均衡的作用

1.解决并发压力

提高应用处理性能，增加吞吐量，加强网络处理能力。

2.实现高可用

提供故障转移，实现整个应用的高可用。

3.实现扩展性

通过添加或减少服务器数量，提供网站伸缩性扩展性。

4.实现安全防护

负载均衡设备上做一些过滤，黑白名单等处理。

负载均衡的原理

系统的扩展可分为纵向（垂直）扩展和横向（水平）扩展。

纵向扩展，是从单机的角度通过增加硬件处理能力，比如CPU处理能力，内存容量，磁盘等方面，实现服务器处理能力的提升，不能满足大型分布式系统（网站），大流量，高并发，海量数据的问题。

因此需要采用横向扩展的方式，通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。高防服务器

比如：一台机器不能满足，则增加两台或者多台机器，共同承担访问压力。这就是典型的集群和负载均衡架构：如下图：

应用集群：将同一应用部署到多台机器上，组成处理集群，接收负载均衡设备分发的请求，进行处理，并返回相应数据。

负载均衡设备：将用户访问的请求，根据负载均衡算法，分发到集群中的一台处理服务器。

负载均衡算法

1.轮循

轮询很容易实现，将请求按顺序轮流分配到后台服务器上，均衡的对待每一台服务器，而不关心服务器实际的连接数和当前的系统负载。

适合场景：适合于应用服务器硬件都相同的情况。

2.加权轮循

在轮询的基础上根据硬件配置不同，按权重分发到不同的服务器。

适合场景：跟配置高、负载低的机器分配更高的权重，云服务器提供商使其能处理更多的请求，而性能低、负载高的机器，配置较低的权重，让其处理较少的请求。

3.随机

通过系统随机函数，根据后台服务器列表的大小值来随机选取其中一台进行访问。

随着调用量的增大，客户端的请求可以被均匀地分派到所有的后端服务器上，其实际效果越来越接近于平均分配流量到后台的每一台服务器，也就是轮询法的效果。

4.最少连接

记录每个服务器正在处理的请求数，把新的请求分发到最少连接的服务器上，因为要维护内部状态不推荐。

5.源地址散列

根据服务消费者请求客户端的IP地址，通过哈希函数计算得到一个哈希值，将此哈希值和服务器列表的大小进行取模运算，得到的结果便是要访问的服务器地址的序号。

适合场景：根据请求的来源IP进行hash计算，同一IP地址的客户端，当后端服务器列表不变时，它每次都会映射到同一台后端服务器进行访问。

负载均衡的分类

1.二层负载均衡（mac）

根据OSI模型分的二层负载，一般是用虚拟mac地址方式，外部对虚拟MAC地址请求，负载均衡接收后分配后端实际的MAC地址响应。

备注：MAC(Media Access Control Address)

2.三层负载均衡（ip）

一般采用虚拟IP地址方式，外部对虚拟的ip地址请求，负载均衡接收后分配后端实际的IP地址响应。

3.四层负载均衡（tcp）

四层的负载均衡在三层负载均衡的基础上，通过发布三层的IP地址（VIP），然后加四层的端口号，来决定哪些流量需要做负载均衡。

四层负载均衡在中间传输层执行，它处理消息的传递，但不考虑消息的内容，用ip+port接收请求，再转发到对应的机器。

四层负载均衡不理解应用协议，比如：

HTTP

FTP

MySQL等等

实现四层负载均衡的软件有：

F5：硬件负载均衡器，功能很好，但是成本很高。

lvs：重量级的四层负载软件

nginx：轻量级的四层负载软件，带缓存功能，正则表达式较灵活

haproxy：模拟四层转发，较灵活

4.七层负载均衡（http）

七层负载均衡不同于四层负载均衡，它在高级应用层上执行，会处理每个消息的实际内容。

所谓七层负载均衡，也称为“内容交换”，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容，决定最终选择的内部服务器。

七层负载均衡它可以根据消息内容（如URL）做出负载均衡决策，比如：对URL图片类的请求转发到特定的图片服务器。

实现七层负载均衡的软件有：

HAproxy：天生负载均衡技能，全面支持七层代理，会话保持，标记，路径转移；

Nginx：只在http协议和mail协议上功能比较好，性能与haproxy差不多；

apache：功能较差

总的来说，一般是LVS做4层负载，Nginx或者Haproxy做7层负载，性能上LVS>HA>Nginx，功能性和便利性上Nginx>HA>LVS。