单服务器无论如何优化,无论采用多好的硬件,总会有一个性能天花板,当单服务器的性能无法满足业务需求时,就需要设计高性能集群来提升系统整体的处理性能。
高性能集群的本质很简单,通过增加更多的服务器来提升系统整体的计算能力。由于计算本身存在一个特点:同样的输入数据和逻辑,无论在哪台服务器上执行,都应该得到相同的输出。因此高性能集群设计的复杂度主要体现在任务分配这部分,需要设计合理的任务分配策略,将计算任务分配到多台服务器上执行。
高性能集群的复杂性主要体现在需要增加一个任务分配器,以及为任务选择一个合适的任务分配算法。对于任务分配器,现在更流行的通用叫法是“负载均衡器”。但这个名称有一定的误导性,会让人潜意识里认为任务分配的目的是要保持各个计算单元的负载达到均衡状态。而实际上任务分配并不只是考虑计算单元的负载均衡,不同的任务分配算法目标是不一样的,有的基于负载考虑,有的基于性能(吞吐量、响应时间)考虑,有的基于业务考虑。考虑到“负载均衡”已经成为了事实上的标准术语,这里我也用“负载均衡”来代替“任务分配”,但请你时刻记住,负载均衡不只是为了计算单元的负载达到均衡状态。
今天我先来讲讲负载均衡的分类及架构,下一期会讲负载均衡的算法。
常见的负载均衡系统包括3种:DNS负载均衡、硬件负载均衡和软件负载均衡。
DNS负载均衡
DNS是最简单也是最常见的负载均衡方式,一般用来实现地理级别的均衡。例如,北方的用户访问北京的机房,南方的用户访问深圳的机房。DNS负载均衡的本质是DNS解析同一个域名可以返回不同的IP地址。例如,同样是www.baidu.com,北方用户解析后获取的地址是61.135.165.224(这是北京机房的IP),南方用户解析后获取的地址是14.215.177.38(这是深圳机房的IP)。
下面是DNS负载均衡的简单示意图:
DNS负载均衡实现简单、成本低,但也存在粒度太粗、负载均衡算法少等缺点。仔细分析一下优缺点,其优点有:
缺点有:
针对DNS负载均衡的一些缺点,对于时延和故障敏感的业务,有一些公司自己实现了HTTP-DNS的功能,即使用HTTP协议实现一个私有的DNS系统。这样的方案和通用的DNS优缺点正好相反。
硬件负载均衡
硬件负载均衡是通过单独的硬件设备来实现负载均衡功能,这类设备和路由器、交换机类似,可以理解为一个用于负载均衡的基础网络设备。目前业界典型的硬件负载均衡设备有两款:F5和A10。这类设备性能强劲、功能强大,但价格都不便宜,一般只有“土豪”公司才会考虑使用此类设备。普通业务量级的公司一是负担不起,二是业务量没那么大,用这些设备也是浪费。
硬件负载均衡的优点是:
硬件负载均衡的缺点是:
软件负载均衡
软件负载均衡通过负载均衡软件来实现负载均衡功能,常见的有Nginx和LVS,其中Nginx是软件的7层负载均衡,LVS是Linux内核的4层负载均衡。4层和7层的区别就在于协议和灵活性,Nginx支持HTTP、E-mail协议;而LVS是4层负载均衡,和协议无关,几乎所有应用都可以做,例如,聊天、数据库等。
软件和硬件的最主要区别就在于性能,硬件负载均衡性能远远高于软件负载均衡性能。Nginx的性能是万级,一般的Linux服务器上装一个Nginx大概能到5万/秒;LVS的性能是十万级,据说可达到80万/秒;而F5性能是百万级,从200万/秒到800万/秒都有(数据来源网络,仅供参考,如需采用请根据实际业务场景进行性能测试)。当然,软件负载均衡的最大优势是便宜,一台普通的Linux服务器批发价大概就是1万元左右,相比F5的价格,那就是自行车和宝马的区别了。
除了使用开源的系统进行负载均衡,如果业务比较特殊,也可能基于开源系统进行定制(例如,Nginx插件),甚至进行自研。
下面是Nginx的负载均衡架构示意图:
软件负载均衡的优点:
其实下面的缺点都是和硬件负载均衡相比的,并不是说软件负载均衡没法用。
前面我们介绍了3种常见的负载均衡机制:DNS负载均衡、硬件负载均衡、软件负载均衡,每种方式都有一些优缺点,但并不意味着在实际应用中只能基于它们的优缺点进行非此即彼的选择,反而是基于它们的优缺点进行组合使用。具体来说,组合的基本原则为:DNS负载均衡用于实现地理级别的负载均衡;硬件负载均衡用于实现集群级别的负载均衡;软件负载均衡用于实现机器级别的负载均衡。
我以一个假想的实例来说明一下这种组合方式,如下图所示。
整个系统的负载均衡分为三层。
需要注意的是,上图只是一个示例,一般在大型业务场景下才会这样用,如果业务量没这么大,则没有必要严格照搬这套架构。例如,一个大学的论坛,完全可以不需要DNS负载均衡,也不需要F5设备,只需要用Nginx作为一个简单的负载均衡就足够了。
今天我为你讲了负载均衡的常见分类以及典型架构,希望对你有所帮助。
这就是今天的全部内容,留一道思考题给你吧,假设你来设计一个日活跃用户1000万的论坛的负载均衡集群,你的方案是什么?设计理由是什么?