专业的指导你学习什么叫负载均衡

在业务初期，我们一般会先使用单台服务器对外提供服务。随着业务流量越来越大，单台服务器无论如何优化，无论采用多好的硬件，总会有性能天花板，当单服务器的性能无法满足业务需求时，就需要把多台服务器组成集群系统提高整体的处理性能。

基于上述需求，我们要使用统一的流量入口来对外提供服务，本质上就是需要一个流量调度器，通过均衡的算法，将用户大量的请求流量均衡地分发到集群中不同的服务器上。这其实就是我们今天要说的负载均衡，什么是负载均衡?

使用负载均衡可以给我们带来的几个好处：

提高了系统的整体性能;

提高了系统的扩展性;

提高了系统的可用性;

负载均衡类型

什么是负载均衡?广义上的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。

(一)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：

①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。

②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。

③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。

④DNS 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。

(二)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：

①价格贵;

②扩展性差，无法进行扩展和定制;

③调试和维护比较麻烦，需要专业人员;

(三)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：

①PREROUTING ：刚刚进入网络层，还未进行路由查找的包，通过此处

②INPUT ：通过路由查找，确定发往本机的包，通过此处

③FORWARD ：经路由查找后，要转发的包，在POST_ROUTING之前

④OUTPUT ：从本机进程刚发出的包，通过此处

⑤POSTROUTING ：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。

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