负载均衡原理

负载均衡(Load Balancing)是一种将网络请求或服务分散到多个服务器或网络设备上，以提高性能、可靠性和可扩展性的技术。通过负载均衡，可以将大量的并发访问或数据流量分摊到多个操作单元上进行处理，使得每个操作单元都能得到合理的工作量，从而避免单个服务器过载。

负载均衡的原理可以概括为“分散请求，集中处理”。具体来说，当客户端发出请求时，负载均衡器会根据预设的算法和策略，将请求分发到后端的一个或多个服务器上。这些服务器可以是物理服务器，也可以是虚拟机或容器。

负载均衡器通常部署在网络架构的前端，作为客户端和服务器之间的中介。它负责监听客户端的请求，并根据负载均衡算法选择合适的服务器来处理这些请求。一旦服务器处理完请求并生成响应，负载均衡器会将响应返回给客户端。

负载均衡算法是负载均衡器的核心，它决定了如何将请求分发到各个服务器上。常见的负载均衡算法包括轮询(Round Robin)、最小连接数(Least Connections)、哈希(Hash)等。这些算法各有特点，适用于不同的应用场景。

负载均衡技术具有多种优势，包括提高性能、增强可靠性、实现可扩展性等。通过将请求分散到多个服务器上，负载均衡可以显著提高系统的整体性能，避免单点故障，提高系统的可用性和稳定性。此外，负载均衡还可以实现无缝扩展，当系统需要处理更多请求时，只需增加更多的服务器即可。

负载均衡是一种将网络请求或服务分散到多个服务器上的技术，通过分散请求、集中处理的方式，提高了系统的性能、可靠性和可扩展性。其原理在于利用负载均衡器作为客户端和服务器之间的中介，根据预设的算法和策略将请求分发到合适的服务器上进行处理。随着云计算和大数据技术的不断发展，负载均衡将继续在网络架构中发挥重要作用，为现代化网络服务提供有力保障。

负载均衡类型

负载均衡器大概可以分为 3 类，包括：DNS 方式实现负载均衡、硬件负载均衡、软件负载均衡。

DNS 实现负载均衡

DNS 实现负载均衡是最基础简单的方式。一个域名通过 DNS 解析到多个 IP，每个 IP 对应不同的服务器实例，这样就完成了流量的调度，虽然没有使用常规的负载均衡器，但实现了简单的负载均衡功能。

通过 DNS 实现负载均衡的方式，最大的优点就是实现简单，成本低，无需自己开发或维护负载均衡设备，不过存在一些缺点：

• 服务器故障切换延迟大，服务器升级不方便。我们知道 DNS 与用户之间是层层的缓存，即便是在故障发生时及时通过 DNS 修改或摘除故障服务器，但中间经过运营商的 DNS 缓存，且缓存很有可能不遵循 TTL 规则，导致 DNS 生效时间变得非常缓慢，有时候一天后还会有些许的请求流量。
• 流量调度不均衡，粒度太粗。DNS 调度的均衡性，受地区运营商 LocalDNS 返回 IP 列表的策略有关系，有的运营商并不会轮询返回多个不同的 IP 地址。另外，某个运营商 LocalDNS 背后服务了多少用户，这也会构成流量调度不均的重要因素。
• 流量分配策略太简单，支持的算法太少。DNS 一般只支持 rr 的轮询方式，流量分配策略比较简单，不支持权重、Hash 等调度算法。
• DNS 支持的 IP 列表有限制。我们知道 DNS 使用 UDP 报文进行信息传递，每个 UDP 报文大小受链路的 MTU 限制，所以报文中存储的 IP 地址数量也是非常有限的，阿里 DNS 系统针对同一个域名支持配置 10 个不同的 IP 地址。

实际上生产环境中很少使用这种方式来实现负载均衡，毕竟缺点很明显。文中之所以描述 DNS 负载均衡方式，是为了能够更清楚地解释负载均衡的概念。

像 BAT 体量的公司一般会利用 DNS 来实现地理级别的全局负载均衡，实现就近访问，提高访问速度，这种方式一般是入口流量的基础负载均衡，下层会有更专业的负载均衡设备实现的负载架构。

硬件负载均衡

硬件负载均衡是通过专门的硬件设备来实现负载均衡功能，是专用的负载均衡设备。目前业界典型的硬件负载均衡设备有两款：F5 和 A10。

这类设备性能强劲、功能强大，但价格非常昂贵，一般只有土豪公司才会使用此类设备，中小公司一般负担不起，业务量没那么大，用这些设备也是挺浪费的。

硬件负载均衡的优点：

• 功能强大：全面支持各层级的负载均衡，支持全面的负载均衡算法。
• 性能强大：性能远超常见的软件负载均衡器。
• 稳定性高：商用硬件负载均衡，经过了良好的严格测试，经过大规模使用，稳定性高。
• 安全防护：还具备防火墙、防 DDoS 攻击等安全功能，以及支持 SNAT 功能。

硬件负载均衡的缺点也很明显：

• 价格贵；
• 扩展性差，无法进行扩展和定制；
• 调试和维护比较麻烦，需要专业人员；

软件负载均衡

软件负载均衡，可以在普通的服务器上运行负载均衡软件，实现负载均衡功能。目前常见的有 Nginx、HAproxy、LVS。其中的区别：

• Nginx：七层负载均衡，支持 HTTP、E-mail 协议，同时也支持 4 层负载均衡；
• HAproxy：支持七层规则的，性能也很不错。OpenStack 默认使用的负载均衡软件就是 HAproxy；
• LVS：运行在内核态，性能是软件负载均衡中最高的，严格来说工作在三层，所以更通用一些，适用各种应用服务。

软件负载均衡的优点：

• 易操作：无论是部署还是维护都相对比较简单；
• 便宜：只需要服务器的成本，软件是免费的；
• 灵活：4 层和 7 层负载均衡可以根据业务特点进行选择，方便进行扩展和定制功能。

负载均衡LVS

软件负载均衡主要包括：Nginx、HAproxy 和 LVS，三款软件都比较常用。四层负载均衡基本上都会使用 LVS，据了解 BAT 等大厂都是 LVS 重度使用者，就是因为 LVS 非常出色的性能，能为公司节省巨大的成本。

LVS，全称 Linux Virtual Server 是由国人章文嵩博士发起的一个开源的项目，在社区具有很大的热度，是一个基于四层、具有强大性能的反向代理服务器。

它现在是标准内核的一部分，它具备可靠性、高性能、可扩展性和可操作性的特点，从而以低廉的成本实现最优的性能。

Netfilter基础原理

LVS 是基于 Linux 内核中 netfilter 框架实现的负载均衡功能，所以要学习 LVS 之前必须要先简单了解 netfilter 基本工作原理。netfilter 其实很复杂，平时我们说的 Linux 防火墙就是 netfilter，不过我们平时操作的都是 iptables，iptables 只是用户空间编写和传递规则的工具而已，真正工作的是 netfilter。通过下图可以简单了解下 netfilter 的工作机制：

netfilter 是内核态的 Linux 防火墙机制，作为一个通用、抽象的框架，提供了一整套的 hook 函数管理机制，提供诸如数据包过滤、网络地址转换、基于协议类型的连接跟踪的功能。

通俗点讲，就是 netfilter 提供一种机制，可以在数据包流经过程中，根据规则设置若干个关卡（hook 函数）来执行相关的操作。netfilter 总共设置了 5 个点，包括：PREROUTING、INPUT、FORWARD、OUTPUT、POSTROUTING

• PREROUTING ：刚刚进入网络层，还未进行路由查找的包，通过此处
• INPUT ：通过路由查找，确定发往本机的包，通过此处
• FORWARD ：经路由查找后，要转发的包，在POST_ROUTING之前
• OUTPUT ：从本机进程刚发出的包，通过此处
• POSTROUTING ：进入网络层已经经过路由查找，确定转发，将要离开本设备的包，通过此处

当一个数据包进入网卡，经过链路层之后进入网络层就会到达 PREROUTING，接着根据目标 IP 地址进行路由查找，如果目标 IP 是本机，数据包继续传递到 INPUT 上，经过协议栈后根据端口将数据送到相应的应用程序。

应用程序处理请求后将响应数据包发送到 OUTPUT 上，最终通过 POSTROUTING 后发送出网卡。

如果目标 IP 不是本机，而且服务器开启了 forward 参数，就会将数据包递送给 FORWARD 上，最后通过 POSTROUTING 后发送出网卡。