負載平衡是網(wǎng)絡(luò )或應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。負載均衡器背后的基本思想是通過(guò)將客戶(hù)端請求或流量路由到其他可能空閑的節點(diǎn)來(lái)避免計算節點(diǎn)過(guò)載。放置在客戶(hù)端設備和后端服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò )設備或稱(chēng)為負載平衡器的軟件。這些負責接收傳入流量并將其路由到可以滿(mǎn)足請求的服務(wù)器。

負載平衡已成為企業(yè)跟上不斷增長(cháng)的需求并確保其應用程序為用戶(hù)啟動(dòng)并運行的有效方式。今天的企業(yè)每分鐘都會(huì )收到成百上千的客戶(hù)對其網(wǎng)站和應用程序的請求。在旺季或幾個(gè)小時(shí)內，這種流量可能會(huì )飆升得更多。服務(wù)器面臨著(zhù)跟上和響應高質(zhì)量媒體的壓力，包括照片、視頻和其他應用程序數據。這些應用程序中的任何中斷或停機都可能導致體驗低于標準并拒絕用戶(hù)，從而導致利潤損失。

什么是負載均衡器？

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

為了確保用戶(hù)獲得一致的體驗，負載均衡器遵循開(kāi)放系統互連 (OSI) 模型。OSI 是一套不依賴(lài)于底層內部結構或技術(shù)的系統通信功能標準。根據這個(gè)模型，負載平衡應該發(fā)生在兩層，以獲得最佳和一致的用戶(hù)體驗。

第 4 層 (L4) 負載平衡器

這些負載平衡器根據它們使用的 TCP 或 UDP 端口以及它們的源和目標的 IP 地址來(lái)決定如何路由流量數據包。L4 負載平衡器不檢查數據包的實(shí)際內容，而是在稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )地址轉換的過(guò)程中將 IP 地址映射到正確的服務(wù)器。

第 7 層 (L7) 負載平衡器

L7 負載均衡器作用于應用層，能夠檢查 HTTP 標頭、SSL 會(huì )話(huà) ID 和其他數據，以決定將傳入請求路由到哪些服務(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(hù)端對服務(wù)器的請求，因此 L7 負載均衡器在計算上比 L4 負載均衡器更占用 CPU，但因此效率更高。

還有另一種類(lèi)型的負載平衡稱(chēng)為全局服務(wù)器負載平衡。這將 L4 和 L7 負載均衡器的功能擴展到多個(gè)數據中心，以便在不對最終用戶(hù)的服務(wù)產(chǎn)生負面影響的情況下分配大量流量。這些對于處理來(lái)自分布在不同地區的云數據中心的應用程序請求也特別有用。

負載均衡簡(jiǎn)史

負載平衡在 1990 年代作為硬件設備在網(wǎng)絡(luò )上分配流量而受到重視。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和連接性的迅速提高，Web 應用程序變得更加復雜，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)處理對類(lèi)似資源的多個(gè)請求，并在服務(wù)器之間有效地分配它們。這就是負載均衡器的起源。

由于負載平衡允許 Web 應用程序避免依賴(lài)單個(gè)服務(wù)器，因此它還有助于輕松擴展這些應用程序，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，包括提供持續健康檢查的能力、基于應用程序內容的智能分發(fā)和其他專(zhuān)業(yè)功能。

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

負載平衡和云計算

隨著(zhù)云計算慢慢開(kāi)始主導應用程序交付，ADC 也隨之發(fā)展。從硬件設備開(kāi)始，ADC 也采取了虛擬機的形式，其軟件從傳統硬件甚至純軟件負載平衡器中提取。軟件 ADC 執行與其硬件對應物類(lèi)似的任務(wù)，但也提供更多功能和靈活性。它們允許組織在云環(huán)境中快速擴展應用程序服務(wù)以滿(mǎn)足需求高峰，同時(shí)保持安全性。

負載平衡如何工作？

負載均衡器可以采用網(wǎng)絡(luò )中的硬件設備的形式，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，它們都通過(guò)根據各種條件將網(wǎng)絡(luò )流量分配到不同的 Web 服務(wù)器來(lái)工作，以防止任何一臺服務(wù)器過(guò)載。

想想負載平衡器，比如交通警察，將繁忙的交通重定向到不那么擁擠的車(chē)道以避免擁堵。負載平衡器有效地管理應用服務(wù)器和端點(diǎn)設備（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、數據中心或云中。如果沒(méi)有負載平衡器，單個(gè)服務(wù)器可能會(huì )不堪重負，應用程序可能會(huì )變得無(wú)響應，從而導致響應延遲、使用體驗不佳和收入損失。

負載均衡器工作的確切機制取決于它們是硬件設備還是軟件。

硬件與軟件負載平衡

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

由于它們使用專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)運行軟件，因此它們提供了快速的吞吐量，同時(shí)對網(wǎng)絡(luò )或應用程序服務(wù)器的物理訪(fǎng)問(wèn)的需求提高了安全性。不利的一面是，硬件負載平衡器的成本可能很高，因為它需要購買(mǎi)物理機器和付費顧問(wèn)來(lái)配置、編程和維護硬件。

軟件負載平衡如何工作？

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

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

不同類(lèi)型的負載平衡算法

網(wǎng)絡(luò )負載平衡器使用多種方法或技術(shù)來(lái)管理和分配負載。它們在確定哪個(gè)應用程序服務(wù)器應該接收每個(gè)客戶(hù)端請求時(shí)使用的算法不同。五種最常見(jiàn)的負載平衡方法是：

循環(huán)賽

在這種方法中，傳入的請求會(huì )周期性地轉發(fā)到每個(gè)服務(wù)器。當它到達最后一個(gè)服務(wù)器時(shí)，從第一個(gè)服務(wù)器開(kāi)始重復循環(huán)。它是最簡(jiǎn)單的實(shí)現方法之一，但可能不是最有效的，因為它假設所有服務(wù)器都具有相似的容量。該方法還有兩個(gè)其他變體——加權循環(huán)和動(dòng)態(tài)循環(huán)——可以針對這個(gè)假設進(jìn)行調整。

IP 哈希

這是一種相對簡(jiǎn)單的負載平衡方法，其中客戶(hù)端的 IP 地址確定哪個(gè)服務(wù)器接收其請求。它使用一種算法來(lái)生成唯一的散列密鑰，或源和目標 IP 地址的加密版本。然后使用此密鑰將客戶(hù)端的請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。

最短響應時(shí)間

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

最小帶寬

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

負載平衡的好處

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

滿(mǎn)足流量高峰的可擴展性

負載平衡可幫助企業(yè)掌握流量波動(dòng)或峰值，并增加或減少服務(wù)器以滿(mǎn)足不斷變化的需求。這有助于企業(yè)利用客戶(hù)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(xiāo)期間出現網(wǎng)絡(luò )流量高峰。擴展服務(wù)器容量以平衡其負載的能力可能是新客戶(hù)或保留客戶(hù)的銷(xiāo)售增長(cháng)與不滿(mǎn)意客戶(hù)造成的重大流失之間的區別。

冗余以最大程度地減少停機時(shí)間

網(wǎng)站服務(wù)器在出現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)器上維護網(wǎng)站，則可以限制任何單個(gè)服務(wù)器上的停機時(shí)間可能造成的損害。負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 )負載轉移到工作服務(wù)器，從而增加一層自動(dòng)化以使您的工作負載現代化。您可以將一臺服務(wù)器保持在主動(dòng)模式以接收流量，而另一臺則保持在被動(dòng)模式，準備好在主動(dòng)模式失敗時(shí)上線(xiàn)。這種安排為企業(yè)提供了保證，即一臺服務(wù)器將始終處于活動(dòng)狀態(tài)以處理硬件故障實(shí)例。

執行維護的靈活性

暫時(shí)將流量轉移到被動(dòng)服務(wù)器的能力還允許開(kāi)發(fā)人員靈活地對故障服務(wù)器執行維護工作。您可以將所有流量指向一臺服務(wù)器并將負載均衡器設置為活動(dòng)模式。然后，您的 IT 支持團隊可以在無(wú)源服務(wù)器上執行軟件更新和補丁程序，在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測試，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

負載平衡可幫助企業(yè)檢測服務(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，尤其是當它們分布在多個(gè)數據中心和云提供商之間時(shí)。在軟件負??載均衡器的情況下尤其如此，它可以利用預測分析在潛在的流量瓶頸發(fā)生之前發(fā)現它們。

DDoS 攻擊緩解

負載均衡器在服務(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。當單個(gè)服務(wù)器因DDoS 攻擊而過(guò)載時(shí)，負載均衡器通過(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(lèi)攻擊。

負載平衡作為一項技術(shù)隨著(zhù)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(hù)體驗的重要方式。除了 IT 團隊減少停機時(shí)間和高可用性的好處之外，負載平衡還為企業(yè)提供了擴展資源、滿(mǎn)足客戶(hù)需求和創(chuàng )造收入的新機會(huì )。