网络负载平衡（Network Load Balancing）的工作原理

NLB 的工作原理

NLB算法的特点：

• 在NLB群集中，每台服务器都会有一个属于自己的静态IP地址，同时NLB群集中的所有服务器还有一个共同的IP地址—NLB群集地址；
• 当客户向NLB群集（NLB的虚拟IP地址）发起请求时，其实客户的请求数据包是发送到所有的NLB节点（即：NLB算法需要NLB群集中的所有主机都能看到发往群集的每一个数据包。），然后运行在NLB节点上的NLB服务根据同样的NLB算法来确定是否应该由自己进行处理，如果不是则丢弃客户的请求数据包，如果是则进行处理。 
• 网络负载平衡使得单个子网上的所有群集主机可以同时检测群集 IP 地址的传入网络通信。在每个群集主机上，网络负载平衡驱动程序充当群集适配器驱动程序和 TCP/IP 堆栈间的过滤器，以便在主机间分配通信。

要确保上面算法的特点，单播（Unicast ），多播（Multicast）实现NLB就会有以下的特点：

NLB中的单播（Unicast）

      在单播模式下，NLB重新对每个NLB节点中启用NLB的网络适配器分配MAC地址（此MAC地址称为群集MAC地址），并且所有的NLB节点均使用相同的MAC地址（均使用群集MAC地址），同时NLB修改所有发送的数据包中的源MAC地址，确保使交换机不能将此群集MAC地址绑定在某个端口上。

      工作在单播模式下的NLB可以在所有网络环境下正常运行，但是由于它的工作特性，具有以下两个限制：

• 由于NLB所使用的群集MAC地址没有绑定在某个具体的交换机端口上，所以所有的NLB通讯均通过在交换机的所有端口上广播进行，而不管此端口是否连接了NLB节点，这造成了额外的网络流量负担；
• 由于所有的NLB节点具有相同的MAC地址，NLB节点之间不能通过自己原有的专用IP地址进行通讯。

     单播模式的优点也很明显：它可以无缝地与大多数路由器和交换机协同工作。

     如下图所示：

单播的其他注意项：

• 在Windows server 2003 SP1中，微软修改了NLB单播模式的驱动，从而支持阵列成员通过自己原有的专用IP地址进行通讯，详细信息请参见KB898867，Unicast NLB nodes cannot communicate over an NLB-enabled network adaptor in Windows Server 2003。
• 若我们在NLB创建时选择单播的模式，在“群集IP配置”中的“网络地址”是以“02 - BF”开头，后面紧跟IP地址的十六进制表示，该网络地址与实际主机的MAC地址相同，后续加入的主机也将修改为此MAC地址。

参考：

单播模式下的单个网络适配器

单播模式下的多个网络适配器

NLB中的多播（Multicast）

      在多播模式下，NLB不会修改NLB节点启用NLB的网络适配器的MAC地址，而是为它再分配一个二层多播MAC地址专用于NLB的通讯（此MAC地址称为群集MAC地址），这样NLB节点之间可以通过自己原有的专用IP地址进行通讯。

      但是在多播模式中，NLB节点发送的针对群集IP地址MAC地址ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）请求的ARP回复会将群集IP地址映射到多播MAC地址，而许多路由器或者交换机（包括CISCO的产品）会拒绝这一行为。当出现这种情况时，你必须在路由器和交换机上手动添加静态映射，将群集IP地址映射到群集的多播MAC地址。

         这种模式的优点是可以通过在交换机的“内容可寻址存储器”(CAM) 表中创建静态项，从而使得入站流量仅到达群集中的主机。

      还有一个缺点就是很多路由器不会自动将单播 IP 地址（群集的虚拟 IP 地址）与多播 MAC 地址关联起来。如果进行静态配置的话，一些路由器可以存在这种关联。若我们在NLB创建时选择多播的模式，在“群集IP配置”中的“网络地址”是以“03 -BF”开头，后面紧跟IP地址的十六进制表示。

      如下图所示：

 

 

 

 

IGMP Multicast（IGMP多播）

      NLB算法需要NLB群集中的所有主机都能看到发往群集的每一个数据包。NLB不允许交换机将群集的MAC地址关联到交换机的某个特定端口，从而实现了这个目的。但是，这种做法也会带来不想要的副作用，就是发往NLB群集的所有数据包会在交换机上的所有端口上造成数据“洪水”。这不仅非常麻烦，而且必将会造成网络资源的浪费。

      为了解决这个问题，一个被称作IGMP支持的新特性被引入到了Windows Server 2003之中。该特性有助于将数据“洪水”限制到交换机上与NLB计算机相连接的端口上。通过这种方式，非NLB的计算机不会看到发往NLB群集的数据，而与此同时，所有的NLB计算机都可以看到发往群集的数据，因此满足了NBL算法的要求。但是，应该指出的是：IGMP支持只有在NLB被配置多播（multicast）模式时才能启用。

      在选择多播模式时，后面还有个复选项“IGMP Multicast（IGMP多播）”，若复选此项，就像多播操作模式一样，NLB 保留原厂 MAC 地址不变，但是向网络适配器中增加了一个 IGMP 多播地址。此外，NLB 主机会发出这个组的 IGMP 加入消息。如果交换机探测到这些消息，它可以使用所需的多播地址来填充自己的 CAM 表，这样入站流量就不会扩散到 VLAN 上的所有端口。这是这种群集模式的主要优点。缺点是有一些交换机不支持 IGMP 探测。除此之外，路由器仍然支持单播 IP 地址到多播 MAC 地址的转换。在IGMP多播模式下，将采用“01 – 00 - 5E”开头的MAC地址。在多播的模式下，实体主机之间可以互相通信。

如下图所示：

 

NLB对路由器的要求

当群集已配置为在多播模式下工作时，如果网络负载平衡客户端正在通过路由器访问一个群集，请确保路由器满足以下要求：

• 接受地址解析协议 (ARP) 应答，此应答在 ARP 结构的有效负载部分有一个媒体访问控制 (MAC) 地址，但正如以太网报头所确定的，它看上去像来自具有另一个 MAC 地址的站点。
• 接受单播 IP 地址的 ARP 应答，此应答在其 ARP 结构的有效负载部分有一个多播 MAC 地址。

单播模式对路由器没有要求。

 

 

参考：

多播模式下的单个网络适配器

多播模式下的多个网络适配器

 

附：单播（Unicast），多播（Multicast），广播（Broadcast） 的区别：

单播：

主机之间“一对一”的通讯模式，网络中的交换机和路由器对数据只进行转发不进行复制。如果10个客户机需要相同的数据，则服务器需要逐一传送，重复10次相同的工作。但由于其能够针对每个客户的及时响应，所以现在的网页浏览全部都是采用IP单播协议。网络中的路由器和交换机根据其目标地址选择传输路径，将IP单播数据传送到其指定的目的地。
单播的优点：
1. 服务器及时响应客户机的请求
2. 服务器针对每个客户不通的请求发送不通的数据，容易实现个性化服务。
单播的缺点：
1. 服务器针对每个客户机发送数据流，服务器流量＝客户机数量×客户机流量；在客户数量大、每个客户机流量大的流媒体应用中服务器不堪重负。
2. 现有的网络带宽是金字塔结构，城际省际主干带宽仅仅相当于其所有用户带宽之和的5％。如果全部使用单播协议，将造成网络主干不堪重负。现在的P2P应用就已经使主干经常阻塞，只要有5％的客户在全速使用网络，其他人就不要玩了。而将主干扩展20倍几乎是不可能。

多播（组播）：

主机之间“一对一组”的通讯模式，也就是加入了同一个组的主机可以接受到此组内的所有数据，网络中的交换机和路由器只向有需求者复制并转发其所需数据。主机可以向路由器请求加入或退出某个组，网络中的路由器和交换机有选择的复制并传输数据，即只将组内数据传输给那些加入组的主机。这样既能一次将数据传输给多个有需要（加入组）的主机，又能保证不影响其他不需要（未加入组）的主机的其他通讯。
组播的优点：
1. 需要相同数据流的客户端加入相同的组共享一条数据流，节省了服务器的负载。具备广播所具备的优点。
2. 由于组播协议是根据接受者的需要对数据流进行复制转发，所以服务端的服务总带宽不受客户接入端带宽的限制。IP协议允许有2亿6千多万个（268435456）组播，所以其提供的服务可以非常丰富。
3. 此协议和单播协议一样允许在Internet宽带网上传输。
组播的缺点：
1．与单播协议相比没有纠错机制，发生丢包错包后难以弥补，但可以通过一定的容错机制和QOS加以弥补。
2．现行网络虽然都支持组播的传输，但在客户认证、QOS等方面还需要完善，这些缺点在理论上都有成熟的解决方案，只是需要逐步推广应用到现存网络当中。

广播：

主机之间“一对所有”的通讯模式，网络对其中每一台主机发出的信号都进行无条件复制并转发，所有主机都可以接收到所有信息（不管你是否需要），由于其不用路径选择，所以其网络成本可以很低廉。有线电视网就是典型的广播型网络，我们的电视机实际上是接受到所有频道的信号，但只将一个频道的信号还原成画面。在数据网络中也允许广播的存在，但其被限制在二层交换机的局域网范围内，禁止广播数据穿过路由器，防止广播数据影响大面积的主机。
广播的优点：
1. 网络设备简单，维护简单，布网成本低廉
2. 由于服务器不用向每个客户机单独发送数据，所以服务器流量负载极低。
广播的缺点：
1.无法针对每个客户的要求和时间及时提供个性化服务。
2. 网络允许服务器提供数据的带宽有限，客户端的最大带宽＝服务总带宽。例如有线电视的客户端的线路支持100个频道（如果采用数字压缩技术，理论上可以提供500个频道），即使服务商有更大的财力配置更多的发送设备、改成光纤主干，也无法超过此极限。也就是说无法向众多客户提供更多样化、更加个性化的服务。
3. 广播禁止在Internet宽带网上传输。

参考资料： 

Load Balancing and ASP.NET
http://www.hanselman.com/blog/LoadBalancingAndASPNET.aspx

Web Farming with the Network Load Balancing Service in Windows Server 2003

网络负载平衡算法 Works 内部怎样

WEB farm - Load Balancing in Asp.net

How to test web load balance
http://www.cnblogs.com/oscarxie/archive/2008/05/20/1203157.html

将asp.net迁移到Load Balance和NAS上的步骤
http://blog.joycode.com/hopeq/archive/2006/03/29/73762.aspx

微软知识库中的关于负载均衡的HowTo文章汇总

TechNet 关于 网络负载平衡群集  的内容
    中文
     英文

下面文章中间谈到了负载均衡的工作原理

NLB配置中单播与多播区别
http://hi.baidu.com/hneli/blog/item/656725d3e5471433970a16bd.html

NLB群集
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b611a45010009hh.html

Using NLB with ISA Server Part 2: Layer 2 Fun with Unicast and Multicast Modes

IP多播概述

TCP/IP学习笔记之九 --- 广播和多播
http://blog.csdn.net/kmajian/archive/2008/11/27/3389667.aspx

网络负载平衡关键特性

Network Load Balancing

Network Load Balancing Technical Overview

网络技术基础知识一之ARP协议概说