负载均衡原理与技术实现

负载均衡原理与技术实现

负载均衡(Load Balance，简称LB)是一种服务器或网络设备的集群技术。负载均衡将特定的业务(网络服务、网络流量等)分担给多个服务器或网络设备，从而提高了业务处理能力，保证了业务的高可用性。负载均衡基本概念有：实服务、实服务组、虚服务、调度算法、持续性等，其常用应用场景主要是服务器负载均衡，链路负载均衡。

一服务器负载均衡

服务器负载均衡根据LB设备处理到的报文层次，分为四层服务器负载均衡和七层负载均衡，四层处理到IP包的IP头，不解析报文四层以上载荷(L4 SLB);七层处理到报文载荷部分，比如HTTP，RTSP，SIP报文头，有时也包括报文内容部分(L7 SLB)。

1.四层服务器负载均衡技术

客户端将请求发送给服务器群前端的负载均衡设备，负载均衡设备上的虚服务接收客户端请求，通过调度算法，选择真实服务器，再通过网络地址转换，用真实服务器地址重写请求报文的目标地址后，将请求发送给选定的真实服务器;真实服务器的响应报文通过负载均衡设备时，报文的源地址被还原为虚服务的VSIP，再返回给客户，完成整个负载调度过程。报文交互流程如下：

NAT方式的服务器负载均衡报文交互流程图报文交互流程说明：

(1)Host发送服务请求报文，源IP为Host IP、目的IP为VSIP

(2)LB Device接收到请求报文后，借助调度算法计算出应该将请求分发给哪台Server

(3)LB Device使用DNAT技术分发报文，源IP为Host IP、目的IP为Server IP

(4)Server接收并处理请求报文，返回响应报文，源IP为Server IP、目的IP为Host IP

(5)LB Device接收响应报文，转换源IP后转发，源IP为VSIP、目的IP为Host IP

2.七层服务器负载均衡技术

七层负载均衡和四层负载均衡相比，只是进行负载均衡的依据不同，而选择确定的实服务器后，所做的处理基本相同，下面以HTTP应用的负载均衡为例来说明。

由于在TCP握手阶段，无法获得HTTP真正的请求内容，因此也就无法将客户的TCP握手报文直接转发给服务器，必须由负载均衡设备先和客户完成TCP握手，等收到足够的七层内容后，再选择服务器，由负载均衡设备和所选服务器建立TCP连接。

七层负载均衡组网和四层负载均衡组网有一个显著的区别：四层负载均衡每个虚服务对应一

个实服务组，实服务组内的所有实服务器提供相同的服务;七层负载均衡每个虚服务对应多个实服务组，每组实服务器提供相同的服务。根据报文内容选择对应的实服务组，然后根据实服务组调度算法选择某一个实服务器。

七层负载均衡组网图

上图中描述了基于HTTP的URI目录信息进行的七层负载均衡部署，报文交互流程图如下：

七层负载均衡报文交互流程图报文交互流程说明：

(1)-(3)：Client和LB建立TCP连接;

(4)：Client发送HTTP请求，目的IP为虚IP;

(5)：LB设备分析报文，根据调度算法选择实服务器，注意此时会缓存该报文;

(6)：LB设备向实服务器发Syn报文，序列号为Client的Syn报文序列号

(7)：Server发送Syn/Ack报文，目的IP为Client;

(8)：LB接收Server的Syn/Ack报文后，回应ACK报文

(9)：修改步骤(5)中缓存的报文目的IP和TCP序列号，然后发给Server;

(10)：Server发送响应报文到LB;

(11)：LB修改步骤(9)中的报文的源地址和TCP序列号后转发给Client。

二链路负载均衡

在企业网、运营商链路出口需要部署LB设备以优化链路选择，提升访问体验，链路负载均衡按照流量发起方向分为Inbound负载均衡和Outbound负载均衡

1.Inbound入方向负载均衡

Inbound负载均衡技术是DNS智能解析的一种，外网用户通过域名访问内部服务器时，Local DNS的地址解析请求到达LB设备，LB根据对Local DNS的就近性探测结果响应一个最优的IP地址，外网用户根据这个最优的IP响应进行对内部服务器的访问。

Inbound链路负载均衡组网图

入方向负载均衡

流程简述如下：

(1)外部用户进行资源访问前先进行DNS解析，向其本地DNS服务器发送DNS请求。

(2)本地DNS服务器将DNS请求的源IP地址替换为自己的IP地址，并转发给域名对应的权威服务器——LB device。

(3)LB device根据DNS请求的域名和配置的Inbound链路负载均衡规则进行域名解析。

(4)LB device按照域名解析的结果，将DNS应答发送给本地DNS服务器。

(5)本地DNS服务器将解析结果转发给用户。

(6)用户使用解析结果选择的链路，直接对LB device进行资源访问。

2.Outbound出方向负载均衡

内网用户访问Internet上其他服务器。Outbound链路负载均衡中VSIP为内网用户发送报文的目的网段。用户将访问VSIP的报文发送到负载均衡设备后，负载均衡设备依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法选择最佳的链路，并将内网访问外网的业务流量分发到该链路。

Outbound链路负载均衡组网图

Outbound负载均衡报文交互流程如下：

Outbound 链路负载均衡流程图

Outbound负载均衡报文交互流程说明：

(1)LB Device接收内网用户流量-

(2)LB Device依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法进行链路选择在Outbound 链路负载均衡组网中，通常使用就近性算法或带宽调度算法实现流量分发

(3)LB device按照链路选择的结果将流量转发给选定的链路-

(4)LB Device接收外网用户流量-

(5)LB Device将流量转发给内网用户

三负载均衡优化及应用

1.TCP连接复用

连接复用功能通过使用连接池技术，可以将前端大量的客户的HTTP请求复用到后端与服务器建立的少量的TCP长连接上，大大减小服务器的性能负载，减小与服务器之间新建TCP 连接所带来的延时，并最大限度减少后端服务器的并发连接数，降低服务器的资源占用。