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负载均衡是大型网站的必经之路，也是架构师的必备技能，无论是分布式、中间件、还是微服务..等等都需要涉及负载均衡，本篇就全面来详解负载均衡@mikechen

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什么是负载均衡

负载均衡（Load Balancing）是一种通过将工作负载分配到多个计算资源或系统组件上，以实现更好的性能、可靠性和可扩展性的技术。

负载均衡是为了应对系统中出现的高负载、高并发和大流量等情况，确保系统能够提供高性能、高可用性和可伸缩性。

如下图所示：

在面对大量用户请求同时访问系统的情况下，单一服务器可能无法有效处理所有请求，负载均衡可以将请求分散到多个服务器上，以确保每台服务器的负载相对较轻，提高并发处理能力。

负载均衡算法

负载均衡算法，主要分为如下5类：

1.轮循

轮询算法（Round Robin）这是最简单的负载均衡算法之一，将每个新的请求依次分配给服务器列表中的下一个服务器。

如下图所示：

适用于服务器性能相近的场景，确保请求相对均匀地分布在所有服务器上。

2.加权轮循

加权轮询算法（Weighted Round Robin） 类似于轮询算法，但为每个服务器分配一个权重值，权重越高的服务器获得处理请求的概率越大。

如下图所示：

在轮询的基础上根据硬件配置不同，按权重分发到不同的服务器，这样可以更好地适应不同服务器性能的场景。

3.随机

随机算法，该算法的基本思想是随机选择一个服务器来处理每个新的请求，以达到负载均衡的目的。

如下图所示：

随机算法的优点在于实现简单，然而由于其随机性，不能确保每个服务器获得相同数量的请求，因此在实际应用中可能导致某些服务器的负载较重，而其他服务器较轻。

4.最少连接

最少连接算法是一种常用的负载均衡算法，其基本思想是将新的请求分配给当前连接数最少的服务器，以达到负载均衡的目的。

记录每个服务器正在处理的请求数，把新的请求分发到最少连接的服务器上，因为要维护内部状态不推荐。

5.哈希

哈希算法（Hash-based Load Balancing）根据请求的某些特征，比如：IP地址、URL等计算哈希值，然后将请求分配到对应哈希值的服务器上。

如下图所示：

这种算法确保相同的请求始终被分配到相同的服务器，有助于处理特定的会话保持等需求。

负载均衡的分类

负载均衡主要分为二层 三层 四层 七层负载均衡。

1.二层负载均衡

二层负载均衡，是在OSI模型的数据链路层（第二层）进行负载均衡的一种方式。

在这个层次上，主要涉及到MAC地址的操作，这种负载均衡通常被称为二层交换机（Layer 2 Switching），或二层负载均衡器。

在二层负载均衡中，负载均衡器通过检查数据帧的目标MAC地址来决定将数据帧转发到哪个服务器。

二层负载均衡通常用于处理非常大量、短会话的负载均衡需求，比如在局域网内进行服务器之间的负载均衡。

2.三层负载均衡

三层负载均衡，是在OSI模型的网络层（第三层）进行负载均衡的一种方式。

在这个层次上主要涉及到IP地址的操作，这种负载均衡通常被称为三层交换机（Layer 3 Switching），或三层负载均衡器。

3.四层负载均衡

四层负载均衡是在OSI模型的传输层（第四层）进行负载均衡的一种方式，在这个层次上，主要涉及到IP地址和端口号的操作。

实现四层负载均衡的软件有：

F5：F5是一款商业硬件负载均衡，支持四层和七层的负载均衡，功能很好，但是成本很高；lvs：LVS是一个在Linux上实现的四层负载均衡器，支持多种负载均衡算法，如轮询、最小连接数等；nginx：Nginx是一款广泛使用的开源Web服务器，同时也支持四层负载均衡；haproxy：HAProxy是一款开源的、高性能的负载均衡软件，支持TCP和HTTP应用层负载均衡。

4.七层负载均衡

七层负载均衡，通常用于HTTP和HTTPS流量的负载均衡。

七层负载均衡器能够深入到应用层的协议信息，例如：HTTP头部、URL等，这使得它可以根据更丰富的信息进行负载均衡

实现七层负载均衡的软件有：

Nginx: 除了支持四层负载均衡外，NGINX也是一种强大的七层负载均衡器，特别适用于处理HTTP和HTTPS流量。F5：F5是一款商业七层负载均衡和应用交付控制器，提供丰富的负载均衡、安全性和性能优化功能。

总的来说，一般是lvs做4层负载，nginx做7层负载。

负载均衡的原理

随着应用的用户数量和流量的增加，单一负载均衡实例可能会成为瓶颈，无法有效地处理所有的请求。

通过横向扩展，可以将流量分散到多个负载均衡器实例上，提高整个系统的处理能力。

如下图所示：

如果系统中只有一个负载均衡器实例，其故障可能导致整个系统的不可用。

通过横向扩展，多个负载均衡器实例可以共同工作，即使其中一个实例发生故障，其他实例仍然可以继续分发流量，提高系统的可用性。

除此之外，通过横向扩展负载均衡，还可以增加系统的整体性能，分担单一负载均衡实例的压力，从而提高系统的响应速度和处理能力。

负载均衡应用场景

负载均衡技术可以应用于多种场景：

1.Web应用负载均衡

场景描述： 高流量的Web应用中，大量用户访问Web服务器，请求包括网页、图片、CSS、JavaScript等资源。解决方案： 负载均衡器将用户请求分发到多个Web服务器，确保每个服务器获得相对均匀的负载，提高整体性能和响应速度。

2.数据库负载均衡

场景描述： 数据库服务器是应用关键组件，需要处理大量数据库查询和事务。解决方案： 负载均衡器确保数据库负载均匀分布，防止某个数据库成为性能瓶颈，提高数据库性能和可靠性。

3.应用服务负载均衡

场景描述： 复杂的应用架构中，多个应用服务器共同处理用户请求，每个服务器负责不同的业务逻辑。解决方案： 负载均衡器确保请求分配到可用的应用服务器，防止某个服务器过载，提高整体应用性能和可用性。

4.云计算负载均衡

场景描述： 在云计算环境中，服务需要在云中多个实例之间分发流量。解决方案： 云服务提供商提供的负载均衡服务可用于分发云服务的流量，确保用户能够访问到可用的云资源。

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