當前大多數(shù)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都使用了服務(wù)器集群技術(shù)，集群是將相同服務(wù)部署在多臺服務(wù)器上構(gòu)成一個集群整體對外提供服務(wù)，這些集群可以是Web應(yīng)用服務(wù)器集群，也可以是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集群，還可以是分布式緩存服務(wù)器集群等等。

在實際應(yīng)用中，在Web服務(wù)器集群之前總會有一臺負載均衡服務(wù)器，負載均衡設(shè)備的任務(wù)就是作為Web服務(wù)器流量的入口，挑選最合適的一臺Web服務(wù)器，將客戶端的請求轉(zhuǎn)發(fā)給它處理，實現(xiàn)客戶端到真實服務(wù)端的透明轉(zhuǎn)發(fā)。

最近幾年很火的「云計算」以及分布式架構(gòu)，本質(zhì)上也是將后端服務(wù)器作為計算資源、存儲資源，由某臺管理服務(wù)器封裝成一個服務(wù)對外提供，客戶端不需要關(guān)心真正提供服務(wù)的是哪臺機器，在它看來，就好像它面對的是一臺擁有近乎無限能力的服務(wù)器，而本質(zhì)上，真正提供服務(wù)的，是后端的集群。

LVS、Nginx、HAProxy是目前使用最廣泛的三種軟件負載均衡軟件。

一般對負載均衡的使用是隨著網(wǎng)站規(guī)模的提升根據(jù)不同的階段來使用不同的技術(shù)。具體的應(yīng)用需求還得具體分析，如果是中小型的Web應(yīng)用，比如日PV小于1000萬，用Nginx就完全可以了；如果機器不少，可以用DNS輪詢，LVS所耗費的機器還是比較多的；大型網(wǎng)站或重要的服務(wù)，且服務(wù)器比較多時，可以考慮用LVS。

目前關(guān)于網(wǎng)站架構(gòu)一般比較合理流行的架構(gòu)方案：Web前端采用Nginx/HAProxy+Keepalived作負載均衡器；后端采用MySQL數(shù)據(jù)庫一主多從和讀寫分離，采用LVS+Keepalived的架構(gòu)。

LVS

LVS是LinuxVirtualServer的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器。現(xiàn)在LVS已經(jīng)是Linux標準內(nèi)核的一部分，從Linux2.4內(nèi)核以后，已經(jīng)完全內(nèi)置了LVS的各個功能模塊，無需給內(nèi)核打任何補丁，可以直接使用LVS提供的各種功能。

LVS自從1998年開始，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)是一個比較成熟的技術(shù)項目了。

LVS 的體系結(jié)構(gòu)

LVS架設(shè)的服務(wù)器集群系統(tǒng)有三個部分組成：

(1) 最前端的負載均衡層，用 Load Balancer 表示

(2) 中間的服務(wù)器集群層，用 Server Array 表示

(3) 最底端的數(shù)據(jù)共享存儲層，用 Shared Storage 表示

LVS 負載均衡機制

LVS不像HAProxy等七層軟負載面向的是HTTP包，所以七層負載可以做的URL解析等工作，LVS無法完成。

LVS是四層負載均衡，也就是說建立在OSI模型的第四層——傳輸層之上，傳輸層上有我們熟悉的TCP/UDP，LVS支持TCP/UDP的負載均衡。因為LVS是四層負載均衡，因此它相對于其它高層負載均衡的解決辦法，比如DNS域名輪流解析、應(yīng)用層負載的調(diào)度、客戶端的調(diào)度等，它的效率是非常高的。

所謂四層負載均衡，也就是主要通過報文中的目標地址和端口。七層負載均衡，也稱為“內(nèi)容交換”，也就是主要通過報文中的真正有意義的應(yīng)用層內(nèi)容。

LVS的轉(zhuǎn)發(fā)主要通過修改IP地址（NAT模式，分為源地址修改SNAT和目標地址修改DNAT）、修改目標MAC（DR模式）來實現(xiàn)。

NAT模式：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

NAT（NetworkAddressTranslation）是一種外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)地址映射的技術(shù)。

NAT模式下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報的進出都要經(jīng)過LVS的處理。LVS需要作為RS（真實服務(wù)器）的網(wǎng)關(guān)。

當包到達LVS時，LVS做目標地址轉(zhuǎn)換（DNAT），將目標IP改為RS的IP。RS接收到包以后，仿佛是客戶端直接發(fā)給它的一樣。RS處理完，返回響應(yīng)時，源IP是RSIP，目標IP是客戶端的IP。這時RS的包通過網(wǎng)關(guān)（LVS）中轉(zhuǎn)，LVS會做源地址轉(zhuǎn)換（SNAT），將包的源地址改為VIP，這樣，這個包對客戶端看起來就仿佛是LVS直接返回給它的。

DR模式：直接路由

DR模式下需要LVS和RS集群綁定同一個VIP（RS通過將VIP綁定在loopback實現(xiàn)），但與NAT的不同點在于：請求由LVS接受，由真實提供服務(wù)的服務(wù)器（RealServer，RS）直接返回給用戶，返回的時候不經(jīng)過LVS。

詳細來看，一個請求過來時，LVS只需要將網(wǎng)絡(luò)幀的MAC地址修改為某一臺RS的MAC，該包就會被轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的RS處理，注意此時的源IP和目標IP都沒變，LVS只是做了一下移花接木。RS收到LVS轉(zhuǎn)發(fā)來的包時，鏈路層發(fā)現(xiàn)MAC是自己的，到上面的網(wǎng)絡(luò)層，發(fā)現(xiàn)IP也是自己的，于是這個包被合法地接受，RS感知不到前面有LVS的存在。而當RS返回響應(yīng)時，只要直接向源IP（即用戶的IP）返回即可，不再經(jīng)過LVS。

DR負載均衡模式數(shù)據(jù)分發(fā)過程中不修改IP地址，只修改mac地址，由于實際處理請求的真實物理IP地址和數(shù)據(jù)請求目的IP地址一致，所以不需要通過負載均衡服務(wù)器進行地址轉(zhuǎn)換，可將響應(yīng)數(shù)據(jù)包直接返回給用戶瀏覽器，避免負載均衡服務(wù)器網(wǎng)卡帶寬成為瓶頸。因此，DR模式具有較好的性能，也是目前大型網(wǎng)站使用最廣泛的一種負載均衡手段。

LVS 的優(yōu)點

抗負載能力強、是工作在傳輸層上僅作分發(fā)之用，沒有流量的產(chǎn)生，這個特點也決定了它在負載均衡軟件里的性能最強的，對內(nèi)存和cpu資源消耗比較低。

配置性比較低，這是一個缺點也是一個優(yōu)點，因為沒有可太多配置的東西，所以并不需要太多接觸，大大減少了人為出錯的幾率。

工作穩(wěn)定，因為其本身抗負載能力很強，自身有完整的雙機熱備方案，如LVS+Keepalived。

無流量，LVS只分發(fā)請求，而流量并不從它本身出去，這點保證了均衡器IO的性能不會受到大流量的影響。

應(yīng)用范圍比較廣，因為LVS工作在傳輸層，所以它幾乎可以對所有應(yīng)用做負載均衡，包括http、數(shù)據(jù)庫、在線聊天室等等。

LVS 的缺點

軟件本身不支持正則表達式處理，不能做動靜分離；而現(xiàn)在許多網(wǎng)站在這方面都有較強的需求，這個是Nginx、HAProxy+Keepalived的優(yōu)勢所在。

如果是網(wǎng)站應(yīng)用比較龐大的話，LVS/DR+Keepalived實施起來就比較復(fù)雜了，相對而言，Nginx/HAProxy+Keepalived就簡單多了。

Nginx

Nginx是一個強大的Web服務(wù)器軟件，用于處理高并發(fā)的HTTP請求和作為反向代理服務(wù)器做負載均衡。具有高性能、輕量級、內(nèi)存消耗少，強大的負載均衡能力等優(yōu)勢。

Nignx 的架構(gòu)設(shè)計

相對于傳統(tǒng)基于進程或線程的模型（Apache就采用這種模型）在處理并發(fā)連接時會為每一個連接建立一個單獨的進程或線程，且在網(wǎng)絡(luò)或者輸入/輸出操作時阻塞。這將導(dǎo)致內(nèi)存和CPU的大量消耗，因為新起一個單獨的進程或線程需要準備新的運行時環(huán)境，包括堆和棧內(nèi)存的分配，以及新的執(zhí)行上下文，當然，這些也會導(dǎo)致多余的CPU開銷。最終，會由于過多的上下文切換而導(dǎo)致服務(wù)器性能變差。

反過來，Nginx的架構(gòu)設(shè)計是采用模塊化的、基于事件驅(qū)動、異步、單線程且非阻塞。

Nginx大量使用多路復(fù)用和事件通知，Nginx啟動以后，會在系統(tǒng)中以daemon的方式在后臺運行，其中包括一個master進程，n(n>=1)個worker進程。所有的進程都是單線程（即只有一個主線程）的，且進程間通信主要使用共享內(nèi)存的方式。

其中，master進程用于接收來自外界的信號，并給worker進程發(fā)送信號，同時監(jiān)控worker進程的工作狀態(tài)。worker進程則是外部請求真正的處理者，每個worker請求相互獨立且平等的競爭來自客戶端的請求。請求只能在一個worker進程中被處理，且一個worker進程只有一個主線程，所以同時只能處理一個請求。（原理同Netty很像）

Nginx 負載均衡

Nginx負載均衡主要是對七層網(wǎng)絡(luò)通信模型中的第七層應(yīng)用層上的http、https進行支持。

Nginx是以反向代理的方式進行負載均衡的。反向代理（ReverseProxy）方式是指以代理服務(wù)器來接受Internet上的連接請求，然后將請求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，并將從服務(wù)器上得到的結(jié)果返回給Internet上請求連接的客戶端，此時代理服務(wù)器對外就表現(xiàn)為一個服務(wù)器。

Nginx實現(xiàn)負載均衡的分配策略有很多，Nginx的upstream目前支持以下幾種方式：

輪詢（默認）：每個請求按時間順序逐一分配到不同的后端服務(wù)器，如果后端服務(wù)器down掉，能自動剔除。

weight：指定輪詢幾率，weight和訪問比率成正比，用于后端服務(wù)器性能不均的情況。

ip_hash：每個請求按訪問ip的hash結(jié)果分配，這樣每個訪客固定訪問一個后端服務(wù)器，可以解決session的問題。

fair（第三方）：按后端服務(wù)器的響應(yīng)時間來分配請求，響應(yīng)時間短的優(yōu)先分配。

url_hash（第三方）：按訪問url的hash結(jié)果來分配請求，使每個url定向到同一個后端服務(wù)器，后端服務(wù)器為緩存時比較有效。

Nginx 的優(yōu)點

跨平臺：Nginx可以在大多數(shù)UnixlikeOS編譯運行，而且也有Windows的移植版本

配置異常簡單：非常容易上手。配置風格跟程序開發(fā)一樣，神一般的配置

非阻塞、高并發(fā)連接：官方測試能夠支撐5萬并發(fā)連接，在實際生產(chǎn)環(huán)境中跑到2～3萬并發(fā)連接數(shù)

事件驅(qū)動：通信機制采用epoll模型，支持更大的并發(fā)連接

Master/Worker結(jié)構(gòu)：一個master進程，生成一個或多個worker進程

內(nèi)存消耗小：處理大并發(fā)的請求內(nèi)存消耗非常小。在3萬并發(fā)連接下，開啟的10個Nginx進程才消耗150M內(nèi)存（15M*10=150M）

內(nèi)置的健康檢查功能：如果Nginx代理的后端的某臺Web服務(wù)器宕機了，不會影響前端訪問

節(jié)省帶寬：支持GZIP壓縮，可以添加瀏覽器本地緩存的Header頭

穩(wěn)定性高：用于反向代理，宕機的概率微乎其微

Nginx 的缺點

Nginx 僅能支 持http、https 和 Email 協(xié)議，這樣就在適用范圍上面小些，這個是它的缺點

對后端服務(wù)器的健康檢查，只支持通過端口來檢測，不支持通過url來檢測。不支持Session的直接保持，但能通過ip_hash來解決

HAProxy

HAProxy支持兩種代理模式TCP（四層）和HTTP（七層），也是支持虛擬主機的。

HAProxy的優(yōu)點能夠補充Nginx的一些缺點，比如支持Session的保持，Cookie的引導(dǎo)；同時支持通過獲取指定的url來檢測后端服務(wù)器的狀態(tài)。

HAProxy跟LVS類似，本身就只是一款負載均衡軟件；單純從效率上來講HAProxy會比Nginx有更出色的負載均衡速度，在并發(fā)處理上也是優(yōu)于Nginx的。

HAProxy支持TCP協(xié)議的負載均衡轉(zhuǎn)發(fā)，可以對MySQL讀進行負載均衡，對后端的MySQL節(jié)點進行檢測和負載均衡，大家可以用LVS+Keepalived對MySQL主從做負載均衡。

HAProxy負載均衡策略非常多：Round-robin（輪循）、Weight-round-robin（帶權(quán)輪循）、source（原地址保持）、RI（請求URL）、rdp-cookie（根據(jù)cookie）。