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负载均衡

负载均衡的概念
    由于网络的数据流量多集中在中心服务器一端，所以负载均衡，多指的是对访问服务器的负载进行均衡（或者说分担）措施。负载均衡，从结构上分为本地负载均衡和地域负载均衡(全局负载均衡)，前一种是指对本地的服务器集群做负载均衡，后一种是指对分别放置在不同的地理位置、在不同的网络及服务器群集之间作负载均衡。
    负载均衡建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效的方法扩展服务器带宽和增加吞吐量，加强网络数据处理能力，提高网络的灵活性和可用性。它主要完成以下任务：解决网络拥塞问题，服务就近提供，实现地理位置无关性；为用户提供更好的访问质量；提高服务器响应速度；提高服务器及其他资源的利用效率；避免了网络关键部位出现单点失效。
    每个主机运行一个所需服务器程序的独立拷贝，诸如Web、FTP、Telnet或邮件服务器程序。对于某些服务（如运行在Web服务器上的那些服务）而言，程序的一个拷贝运行在群集内所有的主机上，而网络负载均衡则将工作负载在这些主机间进行分配。对于其他服务（如邮件服务），只有一台主机处理工作负载，针对这些服务，网络负载均衡允许网络通讯量流到一个主机上，并在该主机发生故障时将通讯量移至其他主机。
    负载均衡实现的方式
    DNS
    最早的负载均衡技术是通过DNS来实现的，在DNS中为多个地址配置同一个名字，因而查询这个名字的客户机将得到其中一个地址，从而使得不同的客户访问不同的服务器，达到负载均衡的目的。
    DNS负载均衡是一种简单而有效的方法，但是它不能区分服务器的差异，也不能反映服务器的当前运行状态。当使用DNS负载均衡的时候，必须尽量保证不同的客户计算机能均匀获得不同的地址。由于DNS数据具备刷新时间标志，一旦超过这个时间限制，其他DNS服务器就需要和这个服务器交互，以重新获得地址数据，就有可能获得不同IP地址。因此为了使地址能随机分配，就应使刷新时间尽量短，不同地方的DNS服务器能更新对应的地址，达到随机获得地址，然而将过期时间设置得过短，将使DNS流量大增，而造成额外的网络问题。DNS负载均衡的另一个问题是，一旦某个服务器出现故障，即使及时修改了DNS设置，还是要等待足够的时间（刷新时间）才能发挥作用，在此期间，保存了故障服务器地址的客户计算机将不能正常访问服务器。
    很多网站仍沿用DNS的方法实现负载均衡，但它会逐渐被更加有效的方式代替。
    代理服务器
    使用代理服务器，可以将请求转发给内部的服务器，使用这种加速模式显然可以提升静态网页的访问速度。然而，也可以考虑这样一种技术，使用代理服务器将请求均匀转发给多台服务器，从而达到负载均衡的目的。
    这种代理方式与普通的代理方式有所不同，标准代理方式是客户使用代理访问多个外部服务器，而这种代理方式是代理多个客户访问内部服务器，因此也被称为反向代理模式。虽然实现这个任务并不算是特别复杂，然而由于要求特别高的效率，实现起来并不简单。
    使用反向代理的好处是，可以将负载均衡和代理服务器的高速缓存技术结合在一起，提供有益的性能。它本身也存在一些问题，首先就是必须为每一种服务都专门开发一个反向代理服务器，这就不是一个轻松的任务。
    代理服务器本身虽然可以达到很高效率，但是针对每一次代理，代理服务器就必须维护两个连接，一个对外的连接，一个对内的连接，因此对于特别高的连接请求，代理服务器的负载也就非常之大。反向代理方式下能应用优化的负载均衡策略，每次访问最空闲的内部服务器来提供服务。但是随着并发连接数量的增加，代理服务器本身的负载也变得非常大，最后反向代理服务器本身会成为服务的瓶颈。
    地址转换网关
    支持负载均衡的地址转换网关，可以将一个外部IP地址映射为多个内部IP地址，对每次TCP连接请求动态使用其中一个内部地址，达到负载均衡的目的。很多硬件厂商将这种技术集成在他们的交换机中，作为他们第四层交换的一种功能来实现，一般采用随机选择、根据服务器的连接数量或者响应时间进行选择的负载均衡策略来分配负载。由于地址转换相对来讲比较接近网络的低层，因此就有可能将它集成在硬件设备中，通常这样的硬件设备是局域网交换机。
    局域网交换机所谓的第四层交换技术，就是按照IP地址和TCP端口进行虚拟连接的交换，直接将数据包发送到目的计算机的相应端口。通过交换机就能将来自外部的初始连接请求，分别与内部的多个地址相联系，此后就能对这些已经建立的虚拟连接进行交换。因此，一些具备第四层交换能力的局域网交换机，就能作为一个硬件负载均衡器，完成服务器的负载均衡。
    由于第四层交换基于硬件芯片，因此其性能非常优秀，尤其是对于网络传输速度和交换速度远远超过普通的数据包转发。然而，正因为它是使用硬件实现的，因此也不够灵活，仅仅能够处理几种最标准的应用协议的负载均衡，如HTTP。当前负载均衡主要用于解决服务器的处理能力不足的问题，因此并不能充分发挥交换机带来的高网络带宽的优点。
    协议内部支持
    除了前三种负载均衡方式之外，有的协议内部支持与负载均衡相关的功能，例如HTTP协议中的重定向能力等，HTTP运行于TCP连接的最高层。客户端通过端口号80的TCP服务直接连接到服务器，然后通过TCP连接向服务器端发送一个HTTP请求。在服务器分清客户端所需的网页和资源之前，至少要进行四次TCP的数据包交换请求。由于负载平衡设备要把进入的请求分配给多个服务器，因此，它只能在TCP连接时建立，且HTTP请求通过后才能确定如何进行负载的平衡。当一个网站的点击率达到每秒上百甚至上千次时，TCP连接、HTTP报头信息以及进程的时延已经变得很重要了。在HTTP请求和报头中有很多对负载平衡有用的信息。首先，也是最重要的一点是，我们可以从这些信息中获知客户端所请求的URL和网页，利用这个信息，负载平衡设备就可以将所有的图像请求引导到一个图像服务器，或者根据URL的数据库查询内容调用CGI程序，将请求引导到一个专用的高性能数据库服务器。惟一能局限这些信息获取的因素是负载平衡设备本身的灵活程度。如果网络管理员熟悉Web内容交换技术，他可以仅仅根据HTTP报头的cookie字段来使用Web内容交换技术改善对特定客户的服务，如果能从HTTP请求中找到一些规律，还可以充分利用它作出各种决策。除了TCP连接表的问题外，如何查找合适的HTTP报头信息以及作出负载平衡决策的过程，是影响Web内容交换技术性能的重要问题。但它依赖于特定协议，因此使用范围有限。根据现有的这些负载均衡技术，并应用优化的均衡策略，来实现后端服务器负载分担的最优状态。
    负载均衡的作用及应用范围
    网络负载均衡提高了诸如Web服务器、FTP服务器和其他关键任务服务器上的因特网服务器程序的可用性和可伸缩性。单一计算机可以提供有限级别的服务器可靠性和可伸缩性。但是，通过将两个或两个以上高级服务器的主机连成群集，网络负载均衡就能够提供关键任务服务器所需的可靠性和性能。
    为了建立一个高负载的Web站点，必须使用多服务器的分布式结构。上面提到的使用代理服务器和Web服务器相结合，或者两台Web服务器相互协作的方式也属于多服务器的结构，但在这些多服务器的结构中，每台服务器所起到的作用是不同的，属于非对称的体系结构。非对称的服务器结构中每个服务器起到的作用是不同的，例如一台服务器用于提供静态网页，而另一台用于提供动态网页等等。这样就使得网页设计时就需要考虑不同服务器之间的关系，一旦要改变服务器之间的关系，就会使得某些网页出现连接错误，不利于维护，可扩展性也较差。
    能进行负载均衡的网络设计结构为对称结构，在对称结构中每台服务器都具备等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。然后，可以通过某种技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的每台服务器上，接收到连接请求的服务器都独立回应客户的请求。在这种结构中，由于建立内容完全一致的Web服务器并不困难，因此负载均衡技术就成为建立一个高负载Web站点的关键性技术。
    负载均衡是一种策略，它能让多台服务器或多条链路共同承担一些繁重的计算或I/O任务，从而以较低成本消除网络瓶颈，提高网络的灵活性和可靠性。

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