負載均衡技術有哪些？負載均衡技術的原理介紹

隨著因特網規模的不斷增長，用戶對系統反應時間的迅速高效及服務的不間斷的要求越來越強烈，不希望訪問web site出現系統故障，頻繁看到“request time out”或者“too busy”。 網絡各個單一核心設備根本上也是無法承擔因數據流量、業務量和訪問量的快速增長，而產生處理能力和計算強度的相應快速增大。在這種情況下，若購買新設備做大量的硬件升級而不使用現有設備利用現有資源，則將必是一種對現有資源的極度浪費。設備的性能無論多卓越，也必然無法滿足一次次的業務量提升，硬件的一次次升級成本的一次次高額投入也將是永無止境的資源浪費。在這種現實的社會背景下，人們開始向新的科學技術領域發展，于是誕生了負載均衡技術。負載均衡能夠充分的利用現有的網絡結構，在網絡結構的基礎之上擴展服務器的帶寬和網絡設備、加強網絡的可用及靈活性、增加吞吐量、提高網絡數據處理能力，從而提供了一種廉價有效透明的方法。

一、負載均衡概述

·　負載均衡的含義

負載均衡聽起來比較簡單，但是它的具體含義是比較高深的，大體可以分為兩個方面：一是將大量數據流或以并發或以單獨訪問的方式同時分擔在多臺節點設備這樣同時處理信息，使用戶等待響應的時間大大的減少，從而大大提高系統的的處理能力；二是將每個重負載信息分攤到各個節點設備上進行分別處理，在每個節點設備處理完成后再進行整合，最后將整合后的處理結果反饋給用戶，從而加快信息處理速度，方便用戶。

負載均衡是一種動態技術，通過一些工具對數據包進行實時的處理分析，通過對網絡中數據流量的狀況進行統計分析從而把任務均衡合理的分配出去，加強服務器的寬度和信息流量，使網絡數據處理能力得到加強，進一步提高了可用性及靈活性，使流量管理、服務器集群性能、系統性能得到優化。

·　負載均衡的分類

軟/硬件

軟件負載均衡解決方案是指在一臺或多臺服務器相應的操作系統上安裝一個或多個附加軟件來實現負載均衡，如DNS Load Balance，CheckPoint Firewall-1 ConnectControl等，它的優點是基于特定環境，配置簡單，使用靈活，成本低廉，可以滿足一般的負載均衡需求。

軟件解決方案缺點也較多，因為每臺服務器上安裝額外的軟件運行會消耗系統不定量的資源，越是功能強大的模塊，消耗得越多，所以當連接請求特別大的時候，軟件本身會成為服務器工作成敗的一個關鍵；軟件可擴展性并不是很好，受到操作系統的限制；由于操作系統本身的Bug，往往會引起安全問題。

硬件負載均衡解決方案是直接在服務器和外部網絡間安裝負載均衡設備，這種設備通常稱之為負載均衡器，由于專門的設備完成專門的任務，獨立于操作系統，整體性能得到大量提高，加上多樣化的負載均衡策略，智能化的流量管理，可達到最佳的負載均衡需求。

負載均衡器有多種多樣的形式，除了作為獨立意義上的負載均衡器外，有些負載均衡器集成在交換設備中，置于服務器與Internet鏈接之間，有些則以兩塊網絡適配器將這一功能集成到PC中，一塊連接到Internet上，一塊連接到后端服務器群的內部網絡上。

一般而言，硬件負載均衡在功能、性能上優于軟件方式，不過成本昂貴。

本地/全局

負載均衡從其應用的地理結構上分為本地負載均衡（Local Load Balance）和全局負載均衡（Global Load Balance，也叫地域負載均衡），本地負載均衡是指對本地的服務器群做負載均衡，全局負載均衡是指對分別放置在不同的地理位置、有不同網絡結構的服務器群間作負載均衡。

本地負載均衡能有效地解決數據流量過大、網絡負荷過重的問題，并且不需花費昂貴開支購置性能卓越的服務器，充分利用現有設備，避免服務器單點故障造成數據流量的損失。其有靈活多樣的均衡策略把數據流量合理地分配給服務器群內的服務器共同負擔。即使是再給現有服務器擴充升級，也只是簡單地增加一個新的服務器到服務群中，而不需改變現有網絡結構、停止現有的服務。

全局負載均衡主要用于在一個多區域擁有自己服務器的站點，為了使全球用戶只以一個IP地址或域名就能訪問到離自己最近的服務器，從而獲得最快的訪問速度，也可用于子公司分散站點分布廣的大公司通過Intranet（企業內部互聯網）來達到資源統一合理分配的目的。

全局負載均衡有以下的特點：

實現地理位置無關性，能夠遠距離為用戶提供完全的透明服務。

除了能避免服務器、數據中心等的單點失效，也能避免由于ISP專線故障引起的單點失效。

解決網絡擁塞問題，提高服務器響應速度，服務就提近供，達到更好的訪問質量。

二、負載均衡的技術及原理圖

·　特定服務器上的軟件負載均衡

許多網絡協議支持重定向功能，HTTP協議對Location指令支持，接收這個瀏覽器的指令將會重新定到Location的另一個URL指令上。由于執行服務請求要比Location指令負載大的多，可以根據這一特點設計一個新的均衡服務器。當Web服務器上承受的負載比較大的時候，它就避免了瀏覽器的請求網頁被送回的狀況，取而代之的是送回一個Locaction指令，這樣就可以讓瀏覽器去其它的服務器上獲得自己所需要的網頁。在這種特定的方式下，服務器的本身首先必須支持這種功能，當然在具體的實踐中會遇到許許多多的困難，例如對于一臺服務器怎樣才能確保它重新定向過的服務器是空閑的還是非空閑的，而且要保證不會第二次次發送Location指令，現在的瀏覽器畢竟沒有這么高級，在這方面的支持能力還是很弱的，這樣就會在瀏覽器上形成一種往復的死循環，所以在現實生活中使用這種在特定服務器上軟件的比較少。

·　DNS負載均衡技術

在負載均衡技術發展的早期就已經有了DNS負載均衡技術。其實施的方法較為簡單，既是在服務器中為多個地址設置相同的名字，在使用DNS查詢時，服務器就會對每一個查詢結果按照IP地址分別處理，依著不同的解析結果顯示，把客戶端上的訪問引導到不同的機器上，從而達到讓不同用戶訪問不同服務器的負載均衡效果。但是DNS負載均衡技術的缺點就是不能夠區分服務器的差異性，不能夠刷新時間設置，甚至使客戶的請求不能分散在不同的服務器上，從而占取大量的ＩＰ地址；但是它也有很多優點：例如它比較經濟而且簡單并且能夠在Internet上的任意位置安置服務器，因此現在有很多大型網站都在使用負載均衡技術。

DNS域名解析負載均衡原理圖

·　NAT負載均衡技術

AT負載均衡技術是將內部的私有網絡地址翻譯成合法的的網上IP地址的技術，將每一次的連接請求動態轉換成內部的服務器的地址，將外部的連接請求引到轉換地址的服務器上，進而實現負載均衡。在負載均衡技術中NAT負載均衡相對來說是比較完善的，具有NAT負載均衡的設備大多數處于內部服務器至外部的網關位置，比如路由器、四層交換機、防火墻及專用的負載均衡器……，NAT負載均衡的算法與其它負載技術比靈活，它可以隨機選擇、最少的連接等使負載得到充分的配。NAT的負載均衡同時也可以通過硬/軟件的方法來實現。利用軟件的方式來控制NAT負載均衡的設備總會受到電腦帶寬及系統自身系統處理能力的約束，再加上NAT處于網絡的低層，所以我們就可以把它集成在硬件的設備中，通常使用專用的負載均衡器和第四層交換機來做這樣的硬件，第四層交換機具有一項最重要的功能就是使NAT負載均衡進而達到相應的目的。

NAT負載均衡原理圖

·　基于反向代理的負載均衡

反向代理的負載均衡通常以負載的方式來實現。首先客戶端必須指定在代理的服務器上，并將服務器上的連接請求直接發送給代理服務器處理。反向代理的負載均衡方式是指憑借代理服務器進而接受網上的連接請求，然后再將請求轉發到內部網絡的服務器上，然后再將服務器上得到的結果返回給網上已經請求連接的客戶端，此時此刻的代理服務器對外就顯示為一個服務器。簡而言之反向代理負載均衡就是將來自Internet上的連接請求用反向代理的方式轉給內部網絡上多臺服務器同時進行處理，進而達到負載均衡。

反向代理負載均衡原理圖

·　混合型負載均衡技術

大型網絡中由于各自的規模、硬件設備及提供服務的差異，在多個服務器群里可以再一次的負載均衡或群集起來憑借一個整體來向外界提供服務，從而使之達到最佳性能。我們就把這種獨特的方式稱之為混合型負載均衡。這種方式有時候也可以用于單臺均衡設備，因為這些設備的性能往往不能夠滿足大量的連接請求。

加權算法的網絡負載均衡是混合型負載均衡的一種，服務器monitor設備對每臺集群內的服務器用加權算法計算出每臺服務器的實時負載權值，負載均衡器將服務器請求發給權值小的服務器進行處理。

W=λ1×CPU+λ2×MEM+λ3×T+λ4×Ct+λ5×Rt，CPU利用率 CPU，內存利用率 MEM，當前網絡流量 T，當前連接數 Ct，響應時間 Rt。