什么是负载均衡（Load balancing）

在网站创立初期，我们一般都使用单台机器对台提供集中式服务，但随着业务量越来越大，无论性能还是稳定性上都有了更大的挑战。这时候我们就会想到通过扩容的方式来提供更好的服务。我们一般会把多台机器组成一个集群对外提供服务。然而，我们的网站对外提供的访问入口都是一个的，比如https://www.ahdjbh.com/。那么当用户在浏览器输入https://www.ahdjbh.com/的时候如何将用户的请求分发到集群中不同的机器上呢，这就是负载均衡在做的事情。

当前大多数的互联网系统都使用了服务器集群技术，集群即将相同服务部署在多台服务器上构成一个集群整体对外提供服务，这些集群可以是Web应用服务器集群，也可以是数据库服务器集群，还可以是分布式缓存服务器集群等。

在实际应用中，在Web服务器集群之前总会有一台负载均衡服务器，负载均衡设备的任务就是作为Web服务器流量的入口，挑选最合适的一台Web服务器，将客户端的请求转发给它处理，实现客户端到真实服务端的透明转发。最近几年很火的「云计算」以及分布式架构，本质上也是将后端服务器作为计算资源、存储资源，由某台管理服务器封装成一个服务对外提供，客户端不需要关心真正提供服务的是哪台机器，在它看来，就好像它面对的是一台拥有近乎无限能力的服务器，而本质上，真正提供服务的是后端的集群。

软件负载解决的两个核心问题是：选谁、转发，其中最著名的是LVS（Linux Virtual Server）

负载均衡分类

现在我们知道，负载均衡就是一种计算机网络技术，用来在多个计算机（计算机集群）、网络连接、CPU、磁碟驱动器或其它资源中分配负载，以达到最佳化资源使用、最大化吞吐率、最小化响应时间、同时避免过载的目的。那么，这种计算机技术的实现方式有多种。大致可以分为以下几种，其中最常用的是四层和七层负载均衡：

二层负载均衡

负载均衡服务器对外依然提供一个VIP（虚IP），集群中不同的机器采用相同IP地址，但机器的MAC地址不一样。当负载均衡服务器接受到请求之后，通过改写报文的目标MAC地址的方式将请求转发到目标机器实现负载均衡。

三层负载均衡

和二层负载均衡类似，负载均衡服务器对外依然提供一个VIP（虚IP），但集群中不同的机器采用不同的IP地址。当负载均衡服务器接受到请求之后，根据不同的负载均衡算法，通过IP将请求转发至不同的真实服务器。

四层负载均衡

四层负载均衡工作在OSI模型的传输层，由于在传输层，只有TCP/UDP协议，这两种协议中除了包含源IP、目标IP以外，还包含源端口号及目的端口号。四层负载均衡服务器在接受到客户端请求后，以后通过修改数据包的地址信息（IP+端口号）将流量转发到应用服务器。

七层负载均衡

七层负载均衡工作在OSI模型的应用层，应用层协议较多，常用http、radius、DNS等。七层负载就可以基于这些协议来负载。这些应用层协议中会包含很多有意义的内容。比如同一个Web服务器的负载均衡，除了根据IP加端口进行负载外，还可根据七层的URL、浏览器类别、语言来决定是否要进行负载均衡。

对于一般的应用来说，有了Nginx就够了。Nginx可以用于七层负载均衡。但是对于一些大的网站，一般会采用DNS+四层负载+七层负载的方式进行多层次负载均衡。 

常用负载均衡工具

硬件负载均衡性能优越，功能全面，但价格昂贵，一般适合初期或者土豪级公司长期使用。因此软件负载均衡在互联网领域大量使用。常用的软件负载均衡软件有Nginx、LVS、HaProxy等。

Nginx/LVS/HAProxy是目前使用最广泛的三种负载均衡软件。

1、 LVS

LVS（Linux Virtual Server），也就是Linux虚拟服务器，是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目。使用LVS技术要达到的目标是：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

LVS主要用来做四层负载均衡。

LVS架构

LVS架设的服务器集群系统由三个部分组成：最前端的负载均衡层（Loader Balancer），中间的服务器群组层，用Server Array表示，最底层的数据共享存储层，用Shared Storage表示。在用户看来所有的应用都是透明的，用户只是在使用一个虚拟服务器提供的高性能服务。

LVS的各个层次的详细介绍： 

Load Balancer层：位于整个集群系统的最前端，有一台或者多台负载调度器（Director Server）组成，LVS模块就安装在Director Server上，而Director的主要作用类似于一个路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Server Array层的应用服务器（Real Server）上。同时，在Director Server上还要安装对Real Server服务的监控模块Ldirectord，此模块用于监测各个Real Server服务的健康状况。在Real Server不可用时把它从LVS路由表中剔除，恢复时重新加入。

Server Array层：由一组实际运行应用服务的机器组成，Real Server可以是Web服务器、Mail服务器、FTP服务器、DNS服务器、视频服务器中的一个或者多个，每个Real Server之间通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际的应用中，Director Server也可以同时兼任Real Server的角色。

Shared Storage层：是为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域，在物理上一般由磁盘阵列设备组成，为了提供内容的一致性，一般可以通过NFS网络文件系统共享数 据，但NFS在繁忙的业务系统中，性能并不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red hat的GFS文件系统、Oracle提供的OCFS2文件系统等。

从整个LVS结构可以看出，Director Server是整个LVS的核心，目前用于Director Server的操作系统只能是Linux和FreeBSD，Linux2.6内核不用任何设置就可以支持LVS功能，而FreeBSD作为 Director Server的应用还不是很多，性能也不是很好。对于Real Server，几乎可以是所有的系统平台，Linux、windows、Solaris、AIX、BSD系列都能很好地支持。 

2、Nginx

Nginx（发音同engine x）是一个网页服务器，它能反向代理HTTP、HTTPS,、SMTP、POP3、IMAP的协议链接，以及一个负载均衡器和一个HTTP缓存。

Nginx主要用来做七层负载均衡。

并发性能：官方支持每秒5万并发，实际国内一般到每秒2万并发，有优化到每秒10万并发的。具体性能看应用场景。

特点：

模块化设计：良好的扩展性，可以通过模块方式进行功能扩展。

高可靠性：主控进程和worker是同步实现的，一个worker出现问题，会立刻启动另一个worker。

内存消耗低：一万个长连接（keep-alive）,仅消耗2.5MB内存。

支持热部署：不用停止服务器，实现更新配置文件，更换日志文件、更新服务器程序版本。

并发能力强：官方数据每秒支持5万并发；

功能丰富：优秀的反向代理功能和灵活的负载均衡策略

Nginx的基本工作模式

一个master进程，生成一个或者多个worker进程。但这里master是使用root身份启动的，因为nginx要工作在80端口。而只有管理员才有权限启动小于低于1023的端口。master主要是负责的作用只是启动worker，加载配置文件，负责系统的平滑升级。其它的工作是交给worker。那当worker被启动之后，也只是负责一些web最简单的工作，而其它的工作都是由worker中调用的模块来实现的。

模块之间是以流水线的方式实现功能的。流水线，指的是一个用户请求，由多个模块组合各自的功能依次实现完成的。比如：第一个模块只负责分析请求首部，第二个模块只负责查找数据，第三个模块只负责压缩数据，依次完成各自工作。来实现整个工作的完成。

它们是如何实现热部署的呢？是这样的，我们前面说master不负责具体的工作，而是调用worker工作，它只是负责读取配置文件，因此当一个模块修改或者配置文件发生变化，是由master进行读取，因此此时不会影响到worker工作。在master进行读取配置文件之后，不会立即把修改的配置文件告知worker。而是让被修改的worker继续使用老的配置文件工作，当worker工作完毕之后，直接当掉这个子进程，更换新的子进程，使用新的规则。