負(fù)載平衡是網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序流量分布在服務(wù)器場(chǎng)或服務(wù)器池中的多個(gè)服務(wù)器上的過(guò)程。負(fù)載均衡器背后的基本思想是通過(guò)將客戶端請(qǐng)求或流量路由到其他可能空閑的節(jié)點(diǎn)來(lái)避免計(jì)算節(jié)點(diǎn)過(guò)載。放置在客戶端設(shè)備和后端服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或稱為負(fù)載平衡器的軟件。這些負(fù)責(zé)接收傳入流量并將其路由到可以滿足請(qǐng)求的服務(wù)器。

負(fù)載平衡已成為企業(yè)跟上不斷增長(zhǎng)的需求并確保其應(yīng)用程序?yàn)橛脩魡?dòng)并運(yùn)行的有效方式。今天的企業(yè)每分鐘都會(huì)收到成百上千的客戶對(duì)其網(wǎng)站和應(yīng)用程序的請(qǐng)求。在旺季或幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，這種流量可能會(huì)飆升得更多。服務(wù)器面臨著跟上和響應(yīng)高質(zhì)量媒體的壓力，包括照片、視頻和其他應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用程序中的任何中斷或停機(jī)都可能導(dǎo)致體驗(yàn)低于標(biāo)準(zhǔn)并拒絕用戶，從而導(dǎo)致利潤(rùn)損失。

什么是負(fù)載均衡器？

負(fù)載均衡器是網(wǎng)絡(luò)中分析傳入請(qǐng)求并將其轉(zhuǎn)移到相關(guān)服務(wù)器的設(shè)備或進(jìn)程。負(fù)載均衡器可以是網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備、運(yùn)行在專用硬件（虛擬負(fù)載均衡器）上的虛擬化實(shí)例，甚至是軟件進(jìn)程。它還可以集成到應(yīng)用交付控制器 (ADC) 中——旨在提高一般應(yīng)用性能和安全性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

為了確保用戶獲得一致的體驗(yàn)，負(fù)載均衡器遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型。OSI 是一套不依賴于底層內(nèi)部結(jié)構(gòu)或技術(shù)的系統(tǒng)通信功能標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這個(gè)模型，負(fù)載平衡應(yīng)該發(fā)生在兩層，以獲得最佳和一致的用戶體驗(yàn)。

第 4 層 (L4) 負(fù)載平衡器

這些負(fù)載平衡器根據(jù)它們使用的 TCP 或 UDP 端口以及它們的源和目標(biāo)的 IP 地址來(lái)決定如何路由流量數(shù)據(jù)包。L4 負(fù)載平衡器不檢查數(shù)據(jù)包的實(shí)際內(nèi)容，而是在稱為網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的過(guò)程中將 IP 地址映射到正確的服務(wù)器。

第 7 層 (L7) 負(fù)載平衡器

L7 負(fù)載均衡器作用于應(yīng)用層，能夠檢查 HTTP 標(biāo)頭、SSL 會(huì)話 ID 和其他數(shù)據(jù)，以決定將傳入請(qǐng)求路由到哪些服務(wù)器以及如何路由。由于它們需要額外的上下文來(lái)理解和處理客戶端對(duì)服務(wù)器的請(qǐng)求，因此 L7 負(fù)載均衡器在計(jì)算上比 L4 負(fù)載均衡器更占用 CPU，但因此效率更高。

還有另一種類型的負(fù)載平衡稱為全局服務(wù)器負(fù)載平衡。這將 L4 和 L7 負(fù)載均衡器的功能擴(kuò)展到多個(gè)數(shù)據(jù)中心，以便在不對(duì)最終用戶的服務(wù)產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下分配大量流量。這些對(duì)于處理來(lái)自分布在不同地區(qū)的云數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用程序請(qǐng)求也特別有用。

負(fù)載均衡簡(jiǎn)史

負(fù)載平衡在 1990 年代作為硬件設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上分配流量而受到重視。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和連接性的迅速提高，Web 應(yīng)用程序變得更加復(fù)雜，它們的需求超出了單個(gè)服務(wù)器的能力。需要找到更好的方法來(lái)處理對(duì)類似資源的多個(gè)請(qǐng)求，并在服務(wù)器之間有效地分配它們。這就是負(fù)載均衡器的起源。

由于負(fù)載平衡允許 Web 應(yīng)用程序避免依賴單個(gè)服務(wù)器，因此它還有助于輕松擴(kuò)展這些應(yīng)用程序，使其超出單個(gè)服務(wù)器所能支持的范圍。很快，其他功能也得到了發(fā)展，包括提供持續(xù)健康檢查的能力、基于應(yīng)用程序內(nèi)容的智能分發(fā)和其他專業(yè)功能。

2000 年代初期 ADC 的興起是應(yīng)用程序負(fù)載平衡歷史上的一個(gè)重要里程碑。ADC 是為提高應(yīng)用程序性能而開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，應(yīng)用程序負(fù)載平衡成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一。但它們很快就會(huì)發(fā)展到涵蓋更多應(yīng)用服務(wù)，包括壓縮、緩存、身份驗(yàn)證、Web 應(yīng)用防火墻和其他安全服務(wù)。

負(fù)載平衡和云計(jì)算

隨著云計(jì)算慢慢開(kāi)始主導(dǎo)應(yīng)用程序交付，ADC 也隨之發(fā)展。從硬件設(shè)備開(kāi)始，ADC 也采取了虛擬機(jī)的形式，其軟件從傳統(tǒng)硬件甚至純軟件負(fù)載平衡器中提取。軟件 ADC 執(zhí)行與其硬件對(duì)應(yīng)物類似的任務(wù)，但也提供更多功能和靈活性。它們?cè)试S組織在云環(huán)境中快速擴(kuò)展應(yīng)用程序服務(wù)以滿足需求高峰，同時(shí)保持安全性。

負(fù)載平衡如何工作？

負(fù)載均衡器可以采用網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備的形式，也可以是純軟件定義的進(jìn)程。無(wú)論它們以哪種形式出現(xiàn)，它們都通過(guò)根據(jù)各種條件將網(wǎng)絡(luò)流量分配到不同的 Web 服務(wù)器來(lái)工作，以防止任何一臺(tái)服務(wù)器過(guò)載。

想想負(fù)載平衡器，比如交通警察，將繁忙的交通重定向到不那么擁擠的車道以避免擁堵。負(fù)載平衡器有效地管理應(yīng)用服務(wù)器和端點(diǎn)設(shè)備（如 PC、筆記本電腦或平板電腦）之間的無(wú)縫信息流。有問(wèn)題的服務(wù)器可以在本地、數(shù)據(jù)中心或云中。如果沒(méi)有負(fù)載平衡器，單個(gè)服務(wù)器可能會(huì)不堪重負(fù)，應(yīng)用程序可能會(huì)變得無(wú)響應(yīng)，從而導(dǎo)致響應(yīng)延遲、使用體驗(yàn)不佳和收入損失。

負(fù)載均衡器工作的確切機(jī)制取決于它們是硬件設(shè)備還是軟件。

硬件與軟件負(fù)載平衡

基于硬件的負(fù)載平衡器通過(guò)使用本地硬件和物理設(shè)備來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。它們能夠處理大量網(wǎng)絡(luò)流量和高性能應(yīng)用程序。硬件負(fù)載均衡器還可能包含內(nèi)置虛擬化，將許多實(shí)例整合到同一設(shè)備中。

由于它們使用專門的處理器來(lái)運(yùn)行軟件，因此它們提供了快速的吞吐量，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序服務(wù)器的物理訪問(wèn)的需求提高了安全性。不利的一面是，硬件負(fù)載平衡器的成本可能很高，因?yàn)樗枰?gòu)買物理機(jī)器和付費(fèi)顧問(wèn)來(lái)配置、編程和維護(hù)硬件。

軟件負(fù)載平衡如何工作？

另一方面，基于軟件的負(fù)載均衡器可以提供與硬件負(fù)載均衡器相同的好處，同時(shí)替換昂貴的硬件。它們可以在任何標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備上運(yùn)行，從而節(jié)省空間和硬件成本。軟件負(fù)載均衡器提供了更大的靈活性，可以根據(jù)不斷變化的需求進(jìn)行調(diào)整，并且可以通過(guò)添加更多軟件實(shí)例來(lái)幫助您擴(kuò)展容量。它們還可以輕松地在托管的異地解決方案或具有內(nèi)部托管的混合模型中用于云上的負(fù)載平衡。

DNS 負(fù)載平衡是一種軟件定義的負(fù)載平衡方法。在這里，客戶端對(duì)域名系統(tǒng) (DNS) 中的域的請(qǐng)求分布在各種服務(wù)器上。每次 DNS 系統(tǒng)響應(yīng)新的客戶端請(qǐng)求時(shí)，它都會(huì)發(fā)送不同版本的 IP 地址列表。這確保了 DNS 請(qǐng)求被平均分配到不同的服務(wù)器以處理整體負(fù)載。通過(guò)自動(dòng)刪除無(wú)響應(yīng)的服務(wù)器，DNS 負(fù)載平衡允許自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移或備份到工作服務(wù)器。

不同類型的負(fù)載平衡算法

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡器使用多種方法或技術(shù)來(lái)管理和分配負(fù)載。它們?cè)诖_定哪個(gè)應(yīng)用程序服務(wù)器應(yīng)該接收每個(gè)客戶端請(qǐng)求時(shí)使用的算法不同。五種最常見(jiàn)的負(fù)載平衡方法是：

循環(huán)賽

在這種方法中，傳入的請(qǐng)求會(huì)周期性地轉(zhuǎn)發(fā)到每個(gè)服務(wù)器。當(dāng)它到達(dá)最后一個(gè)服務(wù)器時(shí)，從第一個(gè)服務(wù)器開(kāi)始重復(fù)循環(huán)。它是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法之一，但可能不是最有效的，因?yàn)樗僭O(shè)所有服務(wù)器都具有相似的容量。該方法還有兩個(gè)其他變體——加權(quán)循環(huán)和動(dòng)態(tài)循環(huán)——可以針對(duì)這個(gè)假設(shè)進(jìn)行調(diào)整。

IP 哈希

這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的負(fù)載平衡方法，其中客戶端的 IP 地址確定哪個(gè)服務(wù)器接收其請(qǐng)求。它使用一種算法來(lái)生成唯一的散列密鑰，或源和目標(biāo) IP 地址的加密版本。然后使用此密鑰將客戶端的請(qǐng)求分配給特定的服務(wù)器。

最少的連接

在最少連接方法中，流量被轉(zhuǎn)移到具有最少活動(dòng)連接的服務(wù)器。此方法非常適合流量大的情況，有助于在所有可用服務(wù)器之間平均分配流量。

最短響應(yīng)時(shí)間

在最短響應(yīng)時(shí)間方法中，流量被定向到滿足兩個(gè)條件的服務(wù)器——它應(yīng)該具有最少的活動(dòng)連接數(shù)量和最低的平均響應(yīng)時(shí)間。

最小帶寬

在這種方法中，負(fù)載均衡器查看服務(wù)器在過(guò)去 14 秒內(nèi)的帶寬消耗（以 Mbps 為單位）。選擇消耗最少帶寬的那個(gè)來(lái)發(fā)送客戶端請(qǐng)求。

負(fù)載平衡的好處

歸根結(jié)底，負(fù)載均衡是為了幫助企業(yè)有效地管理網(wǎng)絡(luò)流量和應(yīng)用程序負(fù)載，以便為最終用戶提供可靠、一致的體驗(yàn)。在這樣做時(shí)，負(fù)載平衡器提供了以下好處。

滿足流量高峰的可擴(kuò)展性

負(fù)載平衡可幫助企業(yè)掌握流量波動(dòng)或峰值，并增加或減少服務(wù)器以滿足不斷變化的需求。這有助于企業(yè)利用客戶需求的突然增加來(lái)增加收入。例如，電子商務(wù)網(wǎng)站可能會(huì)在假期和促銷期間出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量高峰。擴(kuò)展服務(wù)器容量以平衡其負(fù)載的能力可能是新客戶或保留客戶的銷售增長(zhǎng)與不滿意客戶造成的重大流失之間的區(qū)別。

冗余以最大程度地減少停機(jī)時(shí)間

網(wǎng)站服務(wù)器在出現(xiàn)前所未有的流量高峰時(shí)發(fā)生故障的情況并不少見(jiàn)。但是，如果您可以在多個(gè) Web 服務(wù)器上維護(hù)網(wǎng)站，則可以限制任何單個(gè)服務(wù)器上的停機(jī)時(shí)間可能造成的損害。負(fù)載平衡可幫助您在某個(gè)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)將網(wǎng)絡(luò)負(fù)載轉(zhuǎn)移到工作服務(wù)器，從而增加一層自動(dòng)化以使您的工作負(fù)載現(xiàn)代化。您可以將一臺(tái)服務(wù)器保持在主動(dòng)模式以接收流量，而另一臺(tái)則保持在被動(dòng)模式，準(zhǔn)備好在主動(dòng)模式失敗時(shí)上線。這種安排為企業(yè)提供了保證，即一臺(tái)服務(wù)器將始終處于活動(dòng)狀態(tài)以處理硬件故障實(shí)例。

執(zhí)行維護(hù)的靈活性

暫時(shí)將流量轉(zhuǎn)移到被動(dòng)服務(wù)器的能力還允許開(kāi)發(fā)人員靈活地對(duì)故障服務(wù)器執(zhí)行維護(hù)工作。您可以將所有流量指向一臺(tái)服務(wù)器并將負(fù)載均衡器設(shè)置為活動(dòng)模式。然后，您的 IT 支持團(tuán)隊(duì)可以在無(wú)源服務(wù)器上執(zhí)行軟件更新和補(bǔ)丁程序，在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，并在一切正常后將服務(wù)器切換到活動(dòng)狀態(tài)。

主動(dòng)故障檢測(cè)

負(fù)載平衡可幫助企業(yè)檢測(cè)服務(wù)器中斷并通過(guò)將資源分配給未受影響的服務(wù)器來(lái)繞過(guò)它們。這使您可以有效地管理服務(wù)器，尤其是當(dāng)它們分布在多個(gè)數(shù)據(jù)中心和云提供商之間時(shí)。在軟件負(fù)??載均衡器的情況下尤其如此，它可以利用預(yù)測(cè)分析在潛在的流量瓶頸發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)它們。

DDoS 攻擊緩解

負(fù)載均衡器在服務(wù)器之間分配流量的能力也有助于防御分布式拒絕服務(wù) (DDoS) 攻擊。當(dāng)單個(gè)服務(wù)器因DDoS 攻擊而過(guò)載時(shí)，負(fù)載均衡器通過(guò)將流量重新路由到其他服務(wù)器并減少攻擊面來(lái)提供幫助。通過(guò)這種方式，負(fù)載平衡消除了單點(diǎn)故障，并使您的網(wǎng)絡(luò)能夠抵御此類攻擊。

負(fù)載平衡作為一項(xiàng)技術(shù)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，并且仍然是企業(yè)提供不間斷用戶體驗(yàn)的重要方式。除了 IT 團(tuán)隊(duì)減少停機(jī)時(shí)間和高可用性的好處之外，負(fù)載平衡還為企業(yè)提供了擴(kuò)展資源、滿足客戶需求和創(chuàng)造收入的新機(jī)會(huì)。