艾銻知識(shí)——用負(fù)載均衡技術(shù)建設(shè)高負(fù)載站點(diǎn)

2020-04-15 18:27 作者：艾銻無(wú)限 瀏覽量：

　Internet的快速增長(zhǎng)使多媒體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，特別是Web服務(wù)器，面對(duì)的訪問(wèn)者數(shù)量快速增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器需要具備提供大量并發(fā)訪問(wèn)服務(wù)的能力。例如Yahoo每天會(huì)收到數(shù)百萬(wàn)次的訪問(wèn)請(qǐng)求，因此對(duì)于提供大負(fù)載Web服務(wù)的服務(wù)器來(lái)講，CPU、I/O處理能力很快會(huì)成為瓶頸。

　　簡(jiǎn)單的提高硬件性能并不能真正解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閱闻_(tái)服務(wù)器的性能總是有限的，一般來(lái)講，一臺(tái)PC服務(wù)器所能提供的并發(fā)訪問(wèn)處理能力大約為1000個(gè)，更為高檔的專用服務(wù)器能夠支持3000-5000個(gè)并發(fā)訪問(wèn)，這樣的能力還是無(wú)法滿足負(fù)載較大的網(wǎng)站的要求。尤其是網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求具有突發(fā)性，當(dāng)某些重大事件發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)就會(huì)急劇上升，從而造成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，例如在網(wǎng)上發(fā)布的克林頓彈劾書就是很明顯的例子。必須采用多臺(tái)服務(wù)器提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并將網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求分配給這些服務(wù)器分擔(dān)，才能提供處理大量并發(fā)服務(wù)的能力。

　　當(dāng)使用多臺(tái)服務(wù)器來(lái)分擔(dān)負(fù)載的時(shí)候，最簡(jiǎn)單的辦法是將不同的服務(wù)器用在不同的方面。按提供的內(nèi)容進(jìn)行分割時(shí)，可以將一臺(tái)服務(wù)器用于提供新聞頁(yè)面，而另一臺(tái)用于提供游戲頁(yè)面；或者可以按服務(wù)器的功能進(jìn)行分割，將一臺(tái)服務(wù)器用于提供靜態(tài)頁(yè)面訪問(wèn)，而另一些用于提供CGI等需要大量消耗資源的動(dòng)態(tài)頁(yè)面訪問(wèn)。然而由于網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的突發(fā)性，使得很難確定那些頁(yè)面造成的負(fù)載太大，如果將服務(wù)的頁(yè)面分割的過(guò)細(xì)就會(huì)造成很大浪費(fèi)。事實(shí)上造成負(fù)載過(guò)大的頁(yè)面常常是在變化中的，如果要經(jīng)常按照負(fù)載變化來(lái)調(diào)整頁(yè)面所在的服務(wù)器，那么勢(shì)必對(duì)管理和維護(hù)造成極大的問(wèn)題。因此這種分割方法只能是大方向的調(diào)整，對(duì)于大負(fù)載的網(wǎng)站，根本的解決辦法還需要應(yīng)用負(fù)載均衡技術(shù)。

　　負(fù)載均衡的思路下多臺(tái)服務(wù)器為對(duì)稱方式，每臺(tái)服務(wù)器都具備等價(jià)的地位，都可以單獨(dú)對(duì)外提供服務(wù)而無(wú)須其他服務(wù)器的輔助。然后通過(guò)某種負(fù)載分擔(dān)技術(shù)，將外部發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求均勻分配到對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的某一臺(tái)服務(wù)器上，而接收到請(qǐng)求的服務(wù)器都獨(dú)立回應(yīng)客戶機(jī)的請(qǐng)求。由于建立內(nèi)容完全一致的Web服務(wù)器并不復(fù)雜，可以使用服務(wù)器同步更新或者共享存儲(chǔ)空間等方法來(lái)完成，因此負(fù)載均衡技術(shù)就成為建立一個(gè)高負(fù)載Web站點(diǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　基于特定服務(wù)器軟件的負(fù)載均衡

　　很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都支持“重定向”功能，例如在HTTP協(xié)議中支持Location指令，接收到這個(gè)指令的瀏覽器將自動(dòng)重定向到Location指明的另一個(gè)URL上。由于發(fā)送Location指令比起執(zhí)行服務(wù)請(qǐng)求，對(duì)Web服務(wù)器的負(fù)載要小的多，因此可以根據(jù)這個(gè)功能來(lái)設(shè)計(jì)一種負(fù)載均衡的服務(wù)器。任何時(shí)候Web服務(wù)器認(rèn)為自己負(fù)載較大的時(shí)候，它就不再直接發(fā)送回瀏覽器請(qǐng)求的網(wǎng)頁(yè)，而是送回一個(gè)Locaction指令，讓瀏覽器去服務(wù)器集群中的其他服務(wù)器上獲得所需要的網(wǎng)頁(yè)。

　　在這種方式下，服務(wù)器本身必須支持這種功能，然而具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻有很多困難，例如一臺(tái)服務(wù)器如何能保證它重定向過(guò)的服務(wù)器是比較空閑的，并且不會(huì)再次發(fā)送Location指令？Location指令和瀏覽器都沒(méi)有這方面的支持能力，這樣很容易在瀏覽器上形成一種死循環(huán)。因此這種方式實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中并不多見(jiàn)，使用這種方式實(shí)現(xiàn)的服務(wù)器集群軟件也較少。有些特定情況下可以使用CGI（包括使用FastCGI或mod_perl擴(kuò)展來(lái)改善性能）來(lái)模擬這種方式去分擔(dān)負(fù)載，而Web服務(wù)器仍然保持簡(jiǎn)潔、高效的特性，此時(shí)避免Location循環(huán)的任務(wù)將由用戶的CGI程序來(lái)承擔(dān)。

　　基于DNS的負(fù)載均衡

　　由于基于服務(wù)器軟件的負(fù)載均衡需要改動(dòng)軟件，因此常常是得不償失，負(fù)載均衡最好是在服務(wù)器軟件之外來(lái)完成，這樣才能利用現(xiàn)有服務(wù)器軟件的種種優(yōu)勢(shì)。最早的負(fù)載均衡技術(shù)是通過(guò)DNS服務(wù)中的隨機(jī)名字解析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在DNS服務(wù)器中，可以為多個(gè)不同的地址配置同一個(gè)名字，而最終查詢這個(gè)名字的客戶機(jī)將在解析這個(gè)名字時(shí)得到其中的一個(gè)地址。因此，對(duì)于同一個(gè)名字，不同的客戶機(jī)會(huì)得到不同的地址，他們也就訪問(wèn)不同地址上的Web服務(wù)器，從而達(dá)到負(fù)載均衡的目的。

　　例如如果希望使用三個(gè)Web服務(wù)器來(lái)回應(yīng)對(duì)www.exampleorg.org.cn的HTTP請(qǐng)求，就可以設(shè)置該域的DNS服務(wù)器中關(guān)于該域的數(shù)據(jù)包括有與下面例子類似的結(jié)果：

　　www1 IN A 192.168.1.1
　　www2 IN A 192.168.1.2
　　www3 IN A 192.168.1.3
　　www IN CNAME www1
　　www IN CNAME www2
　　www IN CNAME www3

　　此后外部的客戶機(jī)就可能隨機(jī)的得到對(duì)應(yīng)www的不同地址，那么隨后的HTTP請(qǐng)求也就發(fā)送給不同地址了。

　　DNS負(fù)載均衡的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易行，并且服務(wù)器可以位于互聯(lián)網(wǎng)的任意位置上，當(dāng)前使用在包括Yahoo在內(nèi)的Web站點(diǎn)上。然而它也存在不少缺點(diǎn)，一個(gè)缺點(diǎn)是為了保證DNS數(shù)據(jù)及時(shí)更新，一般都要將DNS的刷新時(shí)間設(shè)置的較小，但太小就會(huì)造成太大的額外網(wǎng)絡(luò)流量，并且更改了DNS數(shù)據(jù)之后也不能立即生效；第二點(diǎn)是DNS負(fù)載均衡無(wú)法得知服務(wù)器之間的差異，它不能做到為性能較好的服務(wù)器多分配請(qǐng)求，也不能了解到服務(wù)器的當(dāng)前狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)客戶請(qǐng)求集中在某一臺(tái)服務(wù)器上的偶然情況。

　　反向代理負(fù)載均衡

　　使用代理服務(wù)器可以將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部的Web服務(wù)器，使用這種加速模式顯然可以提升靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的訪問(wèn)速度。因此也可以考慮使用這種技術(shù)，讓代理服務(wù)器將請(qǐng)求均勻轉(zhuǎn)發(fā)給多臺(tái)內(nèi)部Web服務(wù)器之一上，從而達(dá)到負(fù)載均衡的目的。這種代理方式與普通的代理方式有所不同，標(biāo)準(zhǔn)代理方式是客戶使用代理訪問(wèn)多個(gè)外部Web服務(wù)器，而這種代理方式是多個(gè)客戶使用它訪問(wèn)內(nèi)部Web服務(wù)器，因此也被稱為反向代理模式。

　　實(shí)現(xiàn)這個(gè)反向代理能力并不能算是一個(gè)特別復(fù)雜的任務(wù)，但是在負(fù)載均衡中要求特別高的效率，這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)就不是十分簡(jiǎn)單的了。每針對(duì)一次代理，代理服務(wù)器就必須打開兩個(gè)連接，一個(gè)為對(duì)外的連接，一個(gè)為對(duì)內(nèi)的連接，因此對(duì)于連接請(qǐng)求數(shù)量非常大的時(shí)候，代理服務(wù)器的負(fù)載也就非常之大了，在最后反向代理服務(wù)器會(huì)成為服務(wù)的瓶頸。例如，使用Apache的mod_rproxy模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡功能時(shí)，提供的并發(fā)連接數(shù)量受Apache本身的并發(fā)連接數(shù)量的限制。一般來(lái)講，可以使用它來(lái)對(duì)連接數(shù)量不是特別大，但每次連接都需要消耗大量處理資源的站點(diǎn)進(jìn)行負(fù)載均衡，例如搜尋。

　　使用反向代理的好處是，可以將負(fù)載均衡和代理服務(wù)器的高速緩存技術(shù)結(jié)合在一起，提供有益的性能，具備額外的安全性，外部客戶不能直接訪問(wèn)真實(shí)的服務(wù)器。并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)較好的負(fù)載均衡策略，將負(fù)載可以非常均衡的分給內(nèi)部服務(wù)器，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載集中到某個(gè)服務(wù)器的偶然現(xiàn)象。

　　基于NAT的負(fù)載均衡技術(shù)

　　網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換為在內(nèi)部地址和外部地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便具備內(nèi)部地址的計(jì)算機(jī)能訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)，而當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)訪問(wèn)地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)擁有的某一外部地址時(shí)，地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)能將其轉(zhuǎn)發(fā)到一個(gè)映射的內(nèi)部地址上。因此如果地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)能將每個(gè)連接均勻轉(zhuǎn)換為不同的內(nèi)部服務(wù)器地址，此后外部網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)就各自與自己轉(zhuǎn)換得到的地址上服務(wù)器進(jìn)行通信，從而達(dá)到負(fù)載分擔(dān)的目的。

　　地址轉(zhuǎn)換可以通過(guò)軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用硬件方式進(jìn)行操作一般稱為交換，而當(dāng)交換必須保存TCP連接信息的時(shí)候，這種針對(duì)OSI網(wǎng)絡(luò)層的操作就被稱為第四層交換。支持負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換為第四層交換機(jī)的一種重要功能，由于它基于定制的硬件芯片，因此其性能非常優(yōu)秀，很多交換機(jī)聲稱具備400MB-800MB的第四層交換能力，然而也有一些資料表明，在如此快的速度下，大部分交換機(jī)就不再具備第四層交換能力了，而僅僅支持第三層甚至第二層交換。

　　然而對(duì)于大部分站點(diǎn)來(lái)講，當(dāng)前負(fù)載均衡主要是解決Web服務(wù)器處理能力瓶頸的，而非網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，很多站點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)連接帶寬總共也不過(guò)10MB，只有極少的站點(diǎn)能夠擁有較高速的網(wǎng)絡(luò)連接，因此一般沒(méi)有必要使用這些負(fù)載均衡器這樣的昂貴設(shè)備。

　　使用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的負(fù)載均衡則要實(shí)際的多，除了一些廠商提供的解決方法之外，更有效的方法是使用免費(fèi)的自由軟件來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。其中包括Linux Virtual Server Project中的NAT實(shí)現(xiàn)方式，或者本文作者在FreeBSD下對(duì)natd的修訂版本。一般來(lái)講，使用這種軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換，中心負(fù)載均衡器存在帶寬限制，在100MB的快速以太網(wǎng)條件下，能得到最快達(dá)80MB的帶寬，然而在實(shí)際應(yīng)用中，可能只有40MB-60MB的可用帶寬。

　　擴(kuò)展的負(fù)載均衡技術(shù)

　　上面使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，毫無(wú)疑問(wèn)所有的網(wǎng)絡(luò)連接都必須通過(guò)中心負(fù)載均衡器，那么如果負(fù)載特別大，以至于后臺(tái)的服務(wù)器數(shù)量不再在是幾臺(tái)、十幾臺(tái)，而是上百臺(tái)甚至更多，即便是使用性能優(yōu)秀的硬件交換機(jī)也回遇到瓶頸。此時(shí)問(wèn)題將轉(zhuǎn)變?yōu)椋绾螌⒛敲炊嗯_(tái)服務(wù)器分布到各個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的多個(gè)位置，分散網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。當(dāng)然這可以通過(guò)綜合使用DNS和NAT兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而更好的方式是使用一種半中心的負(fù)載均衡方式。

　　在這種半中心的負(fù)載均衡方式下，即當(dāng)客戶請(qǐng)求發(fā)送給負(fù)載均衡器的時(shí)候，中心負(fù)載均衡器將請(qǐng)求打包并發(fā)送給某個(gè)服務(wù)器，而服務(wù)器的回應(yīng)請(qǐng)求不再返回給中心負(fù)載均衡器，而是直接返回給客戶，因此中心負(fù)載均衡器只負(fù)責(zé)接受并轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，其網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)就較小了。 　　上圖來(lái)自Linux Virtual Server Project，為他們使用IP隧道實(shí)現(xiàn)的這種負(fù)載分擔(dān)能力的請(qǐng)求/回應(yīng)過(guò)程，此時(shí)每個(gè)后臺(tái)服務(wù)器都需要進(jìn)行特別的地址轉(zhuǎn)換，以欺騙瀏覽器客戶，認(rèn)為它的回應(yīng)為正確的回應(yīng)。

　　同樣，這種方式的硬件實(shí)現(xiàn)方式也非常昂貴，但是會(huì)根據(jù)廠商的不同，具備不同的特殊功能，例如對(duì)SSL的支持等。

　　由于這種方式比較復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，它的起點(diǎn)也很高，當(dāng)前情況下網(wǎng)站并不需要這么大的處理能力。 

　　比較上面的負(fù)載均衡方式，DNS最容易，也最常用，能夠滿足一般的需求。但如果需要進(jìn)一步的管理和控制，可以選用反向代理方式或NAT方式，這兩種之間進(jìn)行選擇主要依賴緩沖是不是很重要，最大的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量是多少等條件。而如果網(wǎng)站上對(duì)負(fù)載影響很厲害的CGI程序是由網(wǎng)站自己開發(fā)的，也可以考慮在程序中自己使用Locaction來(lái)支持負(fù)載均衡。半中心化的負(fù)載分擔(dān)方式至少在國(guó)內(nèi)當(dāng)前的情況下還不需要。
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