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分类： IT职场
2006-05-26 17:00:03
网络的各个核心部分随着业务量的提高、访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应增大，使得单一设备根本无法承担。在此情况下，如果扔掉现有设备去做大量的硬件升级，这样将造成现有资源的浪费，而且如果再面临下一次业务量的提升，这又将导致再一次硬件升级的高额成本投入，甚至性能再卓越的设备也不能满足当前业务量的需求。于是，负载均衡机制应运而生。
负载均衡（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
负载均衡有两方面的含义：首先，大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。
本文所要介绍的负载均衡技术主要是指在均衡服务器群中所有服务器和应用程序之间流量负载的应用，目前负载均衡技术大多数是用于提高诸如在Web服务器、FTP服务器和其它关键任务服务器上的Internet服务器程序的可用性和可伸缩性。
| 负载均衡技术分类 |
目前有许多不同的负载均衡技术用以满足不同的应用需求，下面从负载均衡所采用的设备对象、应用的网络层次（指OSI参考模型）及应用的地理结构等来分类。
软件负载均衡解决方案是指在一台或多台服务器相应的操作系统上安装一个或多个附加软件来实现负载均衡，如DNS Load Balance，CheckPoint Firewall-1 ConnectControl等，它的优点是基于特定环境，配置简单，使用灵活，成本低廉，可以满足一般的负载均衡需求。
软件解决方案缺点也较多，因为每台服务器上安装额外的软件运行会消耗系统不定量的资源，越是功能强大的模块，消耗得越多，所以当连接请求特别大的时候，软件本身会成为服务器工作成败的一个关键；软件可扩展性并不是很好，受到操作系统的限制；由于操作系统本身的Bug，往往会引起安全问题。
硬件负载均衡解决方案是直接在服务器和外部网络间安装负载均衡设备，这种设备我们通常称之为负载均衡器，由于专门的设备完成专门的任务，独立于操作系统，整体性能得到大量提高，加上多样化的负载均衡策略，智能化的流量管理，可达到最佳的负载均衡需求。
负载均衡器有多种多样的形式，除了作为独立意义上的负载均衡器外，有些负载均衡器集成在交换设备中，置于服务器与Internet链接之间，有些则以两块网络适配器将这一功能集成到PC中，一块连接到Internet上，一块连接到后端服务器群的内部网络上。
一般而言，硬件负载均衡在功能、性能上优于软件方式，不过成本昂贵。
负载均衡从其应用的地理结构上分为本地负载均衡(Local Load Balance)和全局负载均衡(Global Load Balance，也叫地域负载均衡)，本地负载均衡是指对本地的服务器群做负载均衡，全局负载均衡是指对分别放置在不同的地理位置、有不同网络结构的服务器群间作负载均衡。
本地负载均衡能有效地解决数据流量过大、网络负荷过重的问题，并且不需花费昂贵开支购置性能卓越的服务器，充分利用现有设备，避免服务器单点故障造成数据流量的损失。其有灵活多样的均衡策略把数据流量合理地分配给服务器群内的服务器共同负担。即使是再给现有服务器扩充升级，也只是简单地增加一个新的服务器到服务群中，而不需改变现有网络结构、停止现有的服务。
全局负载均衡主要用于在一个多区域拥有自己服务器的站点，为了使全球用户只以一个IP地址或域名就能访问到离自己最近的服务器，从而获得最快的访问速度，也可用于子公司分散站点分布广的大公司通过Intranet（企业内部互联网）来达到资源统一合理分配的目的。
全局负载均衡有以下的特点：
针对网络上负载过重的不同瓶颈所在，从网络的不同层次入手，我们可以采用相应的负载均衡技术来解决现有问题。
随着带宽增加，数据流量不断增大，网络核心部分的数据接口将面临瓶颈问题，原有的单一线路将很难满足需求，而且线路的升级又过于昂贵甚至难以实现，这时就可以考虑采用链路聚合（Trunking）技术。
链路聚合技术（第二层负载均衡）将多条物理链路当作一条单一的聚合逻辑链路使用，网络数据流量由聚合逻辑链路中所有物理链路共同承担，由此在逻辑上增大了链路的容量，使其能满足带宽增加的需求。
现代负载均衡技术通常操作于网络的第四层或第七层。第四层负载均衡将一个Internet上合法注册的IP地址映射为多个内部服务器的IP地址，对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部IP地址，达到负载均衡的目的。在第四层交换机中，此种均衡技术得到广泛的应用，一个目标地址是服务器群VIP（虚拟IP，Virtual IP address）连接请求的数据包流经交换机，交换机根据源端和目的IP地址、TCP或UDP端口号和一定的负载均衡策略，在服务器IP和VIP间进行映射，选取服务器群中最好的服务器来处理连接请求。
第七层负载均衡控制应用层服务的内容，提供了一种对访问流量的高层控制方式，适合对HTTP服务器群的应用。第七层负载均衡技术通过检查流经的HTTP报头，根据报头内的信息来执行负载均衡任务。
第七层负载均衡优点表现在如下几个方面：
第七层负载均衡受到其所支持的协议限制（一般只有HTTP），这样就限制了它应用的广泛性，并且检查HTTP报头会占用大量的系统资源，势必会影响到系统的性能，在大量连接请求的情况下，负载均衡设备自身容易成为网络整体性能的瓶颈。
| 负载均衡策略 |
在实际应用中，我们可能不想仅仅是把客户端的服务请求平均地分配给内部服务器，而不管服务器是否宕机。而是想使Pentium III服务器比Pentium II能接受更多的服务请求，一台处理服务请求较少的服务器能分配到更多的服务请求，出现故障的服务器将不再接受服务请求直至故障恢复等等。
选择合适的负载均衡策略，使多个设备能很好的共同完成任务，消除或避免现有网络负载分布不均、数据流量拥挤反应时间长的瓶颈。在各负载均衡方式中，针对不同的应用需求，在OSI参考模型的第二、三、四、七层的负载均衡都有相应的负载均衡策略。
负载均衡策略的优劣及其实现的难易程度有两个关键因素：一、负载均衡算法，二、对网络系统状况的检测方式和能力。
考虑到服务请求的不同类型、服务器的不同处理能力以及随机选择造成的负载分配不均匀等问题，为了更加合理的把负载分配给内部的多个服务器，就需要应用相应的能够正确反映各个服务器处理能力及网络状态的负载均衡算法：
尽管有多种的负载均衡算法可以较好的把数据流量分配给服务器去负载，但如果负载均衡策略没有对网络系统状况的检测方式和能力，一旦在某台服务器或某段负载均衡设备与服务器网络间出现故障的情况下，负载均衡设备依然把一部分数据流量引向那台服务器，这势必造成大量的服务请求被丢失，达不到不间断可用性的要求。所以良好的负载均衡策略应有对网络故障、服务器系统故障、应用服务故障的检测方式和能力：
负载均衡策略的优劣除受上面所讲的两个因素影响外，在有些应用情况下，我们需要将来自同一客户端的所有请求都分配给同一台服务器去负担，例如服务器将客户端注册、购物等服务请求信息保存的本地数据库的情况下，把客户端的子请求分配给同一台服务器来处理就显的至关重要了。有两种方式可以解决此问题，一是根据IP地址把来自同一客户端的多次请求分配给同一台服务器处理，客户端IP地址与服务器的对应信息是保存在负载均衡设备上的；二是在客户端浏览器cookie内做独一无二的标识来把多次请求分配给同一台服务器处理，适合通过代理服务器上网的客户端。
还有一种路径外返回模式（Out of Path Return），当客户端连接请求发送给负载均衡设备的时候，中心负载均衡设备将请求引向某个服务器，服务器的回应请求不再返回给中心负载均衡设备，即绕过流量分配器，直接返回给客户端，因此中心负载均衡设备只负责接受并转发请求，其网络负担就减少了很多，并且给客户端提供了更快的响应时间。此种模式一般用于HTTP服务器群，在各服务器上要安装一块虚拟网络适配器，并将其IP地址设为服务器群的VIP，这样才能在服务器直接回应客户端请求时顺利的达成三次握手。
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Internet的规模每一百天就会增长一倍，客户希望获得7天24小时的不间断可用性及较快的系统反应时间，而不愿屡次看到某个站点“Server Too Busy”及频繁的系统故障。
网络的各个核心部分随着业务量的提高、访问量和数据流量的快速增长，其处理能力和计算强度也相应增大，使得单一设备根本无法承担。在此情况下，如果扔掉现有设备去做大量的硬件升级，这样将造成现有资源的浪费，而且如果再面临下一次业务量的提升，这又将导致再一次硬件升级的高额成本投入，甚至性能再卓越的设备也不能满足当前业务量的需求。于是，负载均衡机制应运而生。
负载均衡（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
负载均衡有两方面的含义：首先，大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。
本文所要介绍的负载均衡技术主要是指在均衡服务器群中所有服务器和应用程序之间流量负载的应用，目前负载均衡技术大多数是用于提高诸如在Web服务器、FTP服务器和其它关键任务服务器上的Internet服务器程序的可用性和可伸缩性。
| 负载均衡实施要素 |
负载均衡方案应是在网站建设初期就应考虑的问题，不过有时随着访问流量的爆炸性增长，超出决策者的意料，这也就成为不得不面对的问题。当我们在引入某种负载均衡方案乃至具体实施时，像其他的许多方案一样，首先是确定当前及将来的应用需求，然后在代价与收效之间做出权衡。
针对当前及将来的应用需求，分析网络瓶颈的不同所在，我们就需要确立是采用哪一类的负载均衡技术，采用什么样的均衡策略，在可用性、兼容性、安全性等等方面要满足多大的需求，如此等等。
不管负载均衡方案是采用花费较少的软件方式，还是购买代价高昂在性能功能上更强的第四层交换机、负载均衡器等硬件方式来实现，亦或其他种类不同的均衡技术，下面这几项都是我们在引入均衡方案时可能要考虑的问题：
| 负载均衡配置实例 |
DNS负载均衡技术是在DNS服务器中为同一个主机名配置多个IP地址，在应答DNS查询时，DNS服务器对每个查询将以DNS文件中主机记录的IP地址按顺序返回不同的解析结果，将客户端的访问引导到不同的机器上去，使得不同的客户端访问不同的服务器，从而达到负载均衡的目的。
DNS负载均衡的优点是经济简单易行，并且服务器可以位于internet上任意的位置。但它也存在不少缺点：
判断一个站点是否采用了DNS负载均衡的最简单方式就是连续的ping这个域名，如果多次解析返回的IP地址不相同的话，那么这个站点就很可能采用的就是较为普遍的DNS负载均衡。但也不一定，因为如果采用的是DNS响应均衡，多次解析返回的IP地址也可能会不相同。不妨试试Ping一下，，。
现假设有三台服务器来应对的请求。在采用BIND 8.x DNS服务器的unix系统上实现起来比较简单，只需在该域的数据记录中添加类似下面的结果：
www1 IN A 192.1.1.1
www2 IN A 192.1.1.2
www3 IN A 192.1.1.3
www IN CNAME www1
www IN CNAME www2
www IN CNAME www3
在NT下的实现也很简单，下面详细介绍在win2000 server下实现DNS负载均衡的过程，NT4.0类似：
www IN A 192.1.1.1
www IN A 192.1.1.2
www IN A 192.1.1.3
NAT（Network Address Translation 网络地址转换）简单地说就是将一个IP地址转换为另一个IP地址，一般用于未经注册的内部地址与合法的、已获注册的Internet IP地址间进行转换。适用于解决Internet IP地址紧张、不想让网络外部知道内部网络结构等的场合下。每次NAT转换势必会增加NAT设备的开销，但这种额外的开销对于大多数网络来说都是微不足道的，除非在高带宽有大量NAT请求的网络上。
NAT负载均衡将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次连接请求动态地转换为一个内部服务器的地址，将外部连接请求引到转换得到地址的那个服务器上，从而达到负载均衡的目的。
NAT负载均衡是一种比较完善的负载均衡技术，起着NAT负载均衡功能的设备一般处于内部服务器到外部网间的网关位置，如路由器、防火墙、四层交换机、专用负载均衡器等，均衡算法也较灵活，如随机选择、最少连接数及响应时间等来分配负载。
NAT负载均衡可以通过软硬件方式来实现。通过软件方式来实现NAT负载均衡的设备往往受到带宽及系统本身处理能力的限制，由于NAT比较接近网络的低层，因此就可以将它集成在硬件设备中，通常这样的硬件设备是第四层交换机和专用负载均衡器，第四层交换机的一项重要功能就是NAT负载均衡。
下面以实例介绍一下Cisco路由器NAT负载均衡的配置：
现有一台有一个串行接口和一个Ethernet接口的路由器，Ethernet口连接到内部网络，内部网络上有三台web服务器，但都只是低端配置，为了处理好来自Internet上大量的web连接请求，因此需要在此路由器上做NAT负载均衡配置，把发送到web服务器合法Internet IP地址的报文转换成这三台服务器的内部本地地址。 其具体配置过程如下：
相应配置文件如下：
interface Ethernet0/0
ip address 192.168.1.4 255.255.255.248
ip nat inside
!
interface Serial0/0
ip address 200.200.1.1 255.255.255.248
ip nat outside
!
ip access-list 1 permit 200.200.1.2
!
ip nat pool websrv 192.168.1.1 192.168.1.3 netmask 255.255.255.248 type rotary
ip nat inside destination list 1 pool websrv
普通代理方式是代理内部网络用户访问internet上服务器的连接请求，客户端必须指定代理服务器,并将本来要直接发送到internet上服务器的连接请求发送给代理服务器处理。
反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受internet上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给internet上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。
反向代理负载均衡技术是把将来自internet上的连接请求以反向代理的方式动态地转发给内部网络上的多台服务器进行处理，从而达到负载均衡的目的。
反向代理负载均衡能以软件方式来实现，如apache mod_proxy、netscape proxy等，也可以在高速缓存器、负载均衡器等硬件设备上实现。 反向代理负载均衡可以将优化的负载均衡策略和代理服务器的高速缓存技术结合在一起，提升静态网页的访问速度，提供有益的性能；由于网络外部用户不能直接访问真实的服务器，具备额外的安全性（同理，NAT负载均衡技术也有此优点）。
其缺点主要表现在以下两个方面：
一般来讲，可以用它来对连接数量不是特别大，但每次连接都需要消耗大量处理资源的站点进行负载均衡，如search。
下面以在apache mod_proxy下做的反向代理负载均衡为配置实例：在站点，我们按提供的内容进行分类，不同的服务器用于提供不同的内容服务，将对的访问转到IP地址为192.168.1.1的内部服务器上处理，对的访问转到服务器192.168.1.2上，对的访问转到服务器192.168.1.3上，对的访问转到合作站点上，从而减轻本apache服务器的负担，达到负载均衡的目的。
首先要确定域名在DNS上的记录对应apache服务器接口上具有internet合法注册的IP地址，这样才能使internet上对的所有连接请求发送给本台apache服务器。
在本台服务器的apache配置文件httpd.conf中添加如下设置：
proxypass /news
proxypass /it
proxypass /life
proxypass /love
注意，此项设置最好添加在httpd.conf文件“Section 2”以后的位置，服务器192.168.1.1-3也应是具有相应功能的www服务器，在重启服务时，最好用apachectl configtest命令检查一下配置是否有误。
在有些大型网络，由于多个服务器群内硬件设备、各自的规模、提供的服务等的差异，我们可以考虑给每个服务器群采用最合适的负载均衡方式，然后又在这多个服务器群间再一次负载均衡或群集起来以一个整体向外界提供服务（即把这多个服务器群当做一个新的服务器群），从而达到最佳的性能。我们将这种方式称之为混合型负载均衡。此种方式有时也用于单台均衡设备的性能不能满足大量连接请求的情况下。
下图展示了一个应用示例，三个服务器群针对各自的特点，分别采用了不同的负载均衡方式。当客户端发出域名解析请求时，DNS服务器依次把它解析成三个服务器群的VIP，如此把客户端的连接请求分别引向三个服务器群，从而达到了再一次负载均衡的目的。
在图中大家可能注意到，负载均衡设备在网络拓朴上，可以处于外部网和内部网络间网关的位置，也可以和内部服务器群处于并行的位置，甚至可以处于内部网络或internet上的任意位置，特别是在采用群集负载均衡时，根本就没有单独的负载均衡设备。
服务器群内各服务器只有提供相同内容的服务才有负载均衡的意义，特别是在DNS负载均衡时。要不然，这样会造成大量连接请求的丢失或由于多次返回内容的不同给客户造成混乱。
所以，如图的这个示例在实际中可能没有多大的意义，因为如此大的服务内容相同但各服务器群存在大量差异的网站并不多见。 但做为一个示例，相信还是很有参考意义的。
