负载均衡(Load Balance)是集群技术（Cluster）的一种应用。负载均衡可以将工作任务分摊到多个处理单元，从而提高并发处理能力。目前最常见的负载均衡应用是Web负载均衡。根据实现的原理不同，常见的web负载均衡技术包括：DNS轮询、IP负载均衡和CDN。其中IP负载均衡可以使用硬件设备或软件方式来实现。

什么是web负载均衡

服务器集群(Cluster)使得多个服务器节点能够协同工作，根据目的的不同，服务器集群可以分为：

• 高性能集群：将单个重负载的请求分散到多个节点进行处理，最后再将处理结果进行汇总
• 高可用集群：提高冗余单元，避免单点故障
• 负载均衡集群：将大量的并发请求分担到多个处理节点。由于单个处理节点的故障不影响整个服务，负载均衡集群同时也实现了高可用性。

一般提到的负载均衡(Load Balance)，是指实现负载均衡集群。负载均衡实现了横向扩展（Scale Out），避免纵向的升级（Scale Up）换代。

本文中的web负载均衡，特指能够分担web请求（http，https等）的负载均衡技术。

基本原理

任何的负载均衡技术都要想办法建立某种一对多的映射机制：一个请求的入口映射到多个处理请求的节点，从而实现分而治之（Divide and Conquer）。

这种映射机制使得多个物理存在对外体现为一个虚拟的整体，对服务的请求者屏蔽了内部的结构。

采用不同的机制建立映射关系，可以形成不同的负载均衡技术，常见的包括：

• DNS轮询
• CDN
• IP负载均衡

DNS

DNS轮询是最简单的负载均衡方式。以域名作为访问入口，通过配置多条DNS A记录使得请求可以分配到不同的服务器。

DNS轮询没有快速的健康检查机制，而且只支持WRR的调度策略导致负载很难“均衡”，通常用于要求不高的场景。并且DNS轮询方式直接将服务器的真实地址暴露给用户，不利于服务器安全。

CDN

CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）。通过发布机制将内容同步到大量的缓存节点，并在DNS服务器上进行扩展，找到里用户最近的缓存节点作为服务提供节点。

因为很难自建大量的缓存节点，所以通常使用CDN运营商的服务。目前国内的服务商很少，而且按流量计费，价格也比较昂贵。

IP负载均衡

IP负载均衡是基于特定的TCP/IP技术实现的负载均衡。比如NAT、DR、Turning等。是最经常使用的方式。关于其原理，可以参考下面另一篇文章：lvs中的负载均衡方式。

IP负载均衡可以使用硬件设备，也可以使用软件实现。硬件设备的主要产品是F5-BIG-IP-GTM（简称F5)，软件产品主要有LVS、HAProxy、NginX。其中LVS、HAProxy可以工作在4-7层，NginX工作在7层。关于三者的简单对比，可以参考这里。

硬件负载均衡设备可以将核心部分做成芯片，性能和稳定性更好，而且商用产品的可管理性、文档和服务都比较好。唯一的问题就是价格。

软件负载均衡通常是开源软件。自由度较高，但学习成本和管理成本会比较大。

F5

F5的全称是F5-BIG-IP-GTM，是最流行的硬件负载均衡设备，其并发能力达到百万级。F5的主要特性包括：

1. 多链路的负载均衡和冗余

   可以接入多条ISP链路，在链路之间实现负载均衡和高可用。

2. 防火墙负载均衡

   F5具有异构防火墙的负载均衡与故障自动排除能力。

3. 服务器负载均衡

   这是F5最主要的功能，F5可以配置针对所有的对外提供服务的服务器配置Virtual Server实现负载均衡、健康检查、回话保持等。

4. 高可用

   F5设备自身的冗余设计能够保证99.999%的正常运行时间，双机F5的故障切换时间为毫秒级。

   使用F5可以配置整个集群的链路冗余和服务器冗余，提高可靠的健康检查机制，以保证高可用。

5. 安全性

   与防火墙类似，F5采用缺省拒绝策略，可以为任何站点增加额外的安全保护，防御普通网络攻击，包括DDoS、IP欺骗、SYN攻击、teartop和land攻击、ICMP攻击等。

6. 易于管理

   F5提供HTTPS、SSH、Telnet、SNMP等多种管理方式，包含详尽的实时报告和历史纪录报告。同时还提供二次开发包(i-Control)。

7. 其他

   F5还提供了SSL加速、软件升级、IP地址过滤、带宽控制等辅助功能。

LVS

LVS(Linux Virtual Server, Linux虚拟服务器），是章文嵩博士开发的开放软件，目前已经集成到Linux内核中。

基于不同的网络技术，LVS支持多种负载均衡机制。包括：VS/NAT（基于网络地址转换技术）、VS/TUN（基于IP隧道技术）和VS/DR（基于直接路由技术）。

此外，为了适应不同的需要，淘宝开发了VS/FULLNAT，从本质上来说也是基于网络地址转换技术。最近还有一个基于VS/FULLNAT的DNAT模块。

不管使用哪种机制，LVS都不直接处理请求，而是将请求转发到后面真正的服务器(Real Server)。不同的机制，决定了响应包如何返回到客户端。

VS/NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）也叫做网络掩蔽或者IP掩蔽，是将IP 数据包头中的IP 地址转换为另一个IP 地址的过程。

NAT能够将私有（保留）地址转化为合法IP地址，通常用于一个公共IP地址和多个内部私有IP地址直接的映射，广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。

通过使用NAT将目的地址转换到多个服务器的方式，可以实现负载均衡，同时能够隐藏并保护内部服务器，避免来自网络外部的攻击。商用负载均衡设备如Cisco的LocalDirector、F5的Big/IP和Alteon的ACEDirector都是基于NAT方法。

VS/NAT(Virtual Server via Network Address Translation)是基于NAT技术实现负载均衡的方法。其架构如下图所示：

1. 客户通过Virtual IP Address（虚拟服务的IP地址）访问网络服务时，请求报文到达调度器

2. 调度器根据连接调度算法从一组真实服务器中选出一台服务器，将报文的目标地址Virtual IP Address改写成选定服务器的地址，报文的目标端口改写成选定服务器的相应端口，最后将修改后的报文发送给选出的服务器。

3. 真实的服务器处理请求，并将响应报文发到调度器。

4. 调度器将报文的源地址和源端口改为Virtual IP Address和相应的端口
5. 调度器将修改过的报文发给用户

在VS/NAT的集群系统中，请求和响应的数据报文都需要通过负载调度器，当真实服务器的数目在10台和20台之间时，负载调度器将成为整个集群系统的新瓶颈。大多数Internet服务都有这样的特点：请求报文较短而响应报文往往包含大量的数据。如果能将请求和响应分开处理，即在负载调度器中只负责调度请求而响应直接返回给客户，将极大地提高整个集群系统的吞吐量。比如IP隧道技术。

VS/TUN

IP Tunneling(IP隧道)技术，又称为IP封装技术(IP encapsulation)，是一种在网络之间传递数据的方式。可以将一个IP报文封装到另一个IP报文（可能是不同的协议）中，并转发到另一个IP地址。IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络（Virtual Private Network），在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。

VS/TUN（Virtual Server via IP Tunneling）是基于隧道技术实现负载均衡的方法。其架构如下图所示：

VS/TUN与VS/NAT的工作机制大体上相同，区别在于：

调度器转发报文的时候进行了协议的二次封装，真实的服务器接收到请求后先进行解包。过程如下图所示：

1. 响应报文从后端服务器直接返回给客户，不需要经过调度器。

VS/DR

DR(Direct Routing, 直接路由), 路由器学习路由的方法之一。路由器对于自己的网络接口所直连的网络之间的通信，可以自动维护路由表，而且不需要进行路由计算。

直接路由通常用在一个三层交换机连接几个VLAN的情况，只要设置直接路由VLAN之间就可以通信，不需要设置其他的路由方式。

VS/DR(Virtual Server via Direct Routing)是基于直接路由实现负载均衡的方法。其架构如下图所示：