开篇
面对大量用户访问、高并发请求，海量数据，可以使用高性能的服务器、大型数据库，存储设备，高性能Web服务器，采用高效率的编程语言比如(Go,Scala)等，当单机容量达到极限时，我们需要考虑业务拆分和分布式部署，来解决大型网站访问量大，并发量高，海量数据的问题。
从单机网站到分布式网站，很重要的区别是业务拆分和分布式部署，将应用拆分后，部署到不同的机器上，实现大规模分布式系统。分布式和业务拆分解决了，从集中到分布的问题，但是每个部署的独立业务还存在单点的问题和访问统一入口问题，为解决单点故障，我们可以采取冗余的方式。将相同的应用部署到多台机器上。解决访问统一入口问题，我们可以在集群前面增加负载均衡设备，实现流量分发。
负载均衡（Load Balance），意思是将负载（工作任务，访问请求）进行平衡、分摊到多个操作单元（服务器，组件）上进行执行。是解决高性能，单点故障（高可用），扩展性（水平伸缩）的终极解决方案。
负载均衡的原理
系统的扩展可分为纵向（垂直）扩展和横向（水平）扩展。
- 纵向扩展：是从单机的角度通过增加硬件处理能力，比如CPU处理能力，内存容量，磁盘等方面，实现服务器处理能力的提升，不能满足大型分布式系统（网站），大流量，高并发，海量数据的问题。因此需要采用横向扩展的方式。
- 横向扩展：通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。比如：一台机器不能满足，则增加两台或者多台机器，共同承担访问压力。这就是典型的集群和负载均衡架构：如下图：
应用集群：将同一应用部署到多台机器上，组成处理集群，接收负载均衡设备分发的请求，进行处理，并返回相应数据。
负载均衡设备：将用户访问的请求，根据负载均衡算法，分发到集群中的一台处理服务器。（一种把网络请求分散到一个服务器集群中的可用服务器上去的设备）
负载均衡的作用（解决的问题）：
- 解决并发压力，提高应用处理性能（增加吞吐量，加强网络处理能力）；
- 提供故障转移，实现高可用；
- 通过添加或减少服务器数量，提供网站伸缩性（扩展性）；
- 安全防护；（负载均衡设备上做一些过滤，黑白名单等处理）
常用的负载均衡方案
DNS负载均衡
最早的负载均衡技术，利用域名解析实现负载均衡，在DNS服务器，配置多个A记录，这些A记录对应的服务器构成集群。大型网站总是部分使用DNS解析，作为第一级负载均衡。如下图：
优点
- 使用简单：负载均衡工作，交给DNS服务器处理，省掉了负载均衡服务器维护的麻烦
- 提高性能：可以支持基于地址的域名解析，解析成距离用户最近的服务器地址，可以加快访问速度，改善性能；缺点
- 可用性差：DNS解析是多级解析，新增/修改DNS后，解析时间较长；解析过程中，用户访问网站将失败；
- 扩展性低：DNS负载均衡的控制权在域名商那里，无法对其做更多的改善和扩展；
- 维护性差：也不能反映服务器的当前运行状态；支持的算法少；不能区分服务器的差异（不能根据系统与服务的状态来判断负载）
实践建议: 将DNS作为第一级负载均衡，A记录对应着内部负载均衡的IP地址，通过内部负载均衡将请求分发到真实的Web服务器上。
IP负载均衡
在网络层通过修改请求目标地址进行负载均衡。用户请求数据包，到达负载均衡服务器后，负载均衡服务器在操作系统内核进程获取网络数据包，根据负载均衡算法得到一台真实服务器地址，然后将请求目的地址修改为获得的真实ip地址，不需要经过用户进程处理。真实服务器处理完成后，响应数据包回到负载均衡服务器，负载均衡服务器，再将数据包源地址修改为自身的ip地址，发送给用户浏览器。如下图：
(IP负载均衡) 真实物理服务器返回给负载均衡服务器，存在两种方式：
- 负载均衡服务器在修改目的ip地址的同时修改源地址。将数据包源地址设为自身盘，即源地址转换（snat）。
- 将负载均衡服务器同时作为真实物理服务器集群的网关服务器。
优点：
- 在内核进程完成数据分发，比在应用层分发性能更好；缺点：
- 所有请求响应都需要经过负载均衡服务器，集群最大吞吐量受限于负载均衡服务器网卡带宽；
链路层负载均衡
在通信协议的数据链路层修改mac地址，进行负载均衡。数据分发时，不修改ip地址，指修改目标mac地址，配置真实物理服务器集群所有机器虚拟ip和负载均衡服务器ip地址一致，达到不修改数据包的源地址和目标地址，进行数据分发的目的。实际处理服务器ip和数据请求目的ip一致，不需要经过负载均衡服务器进行地址转换，可将响应数据包直接返回给用户浏览器，避免负载均衡服务器网卡带宽成为瓶颈。也称为直接路由模式（DR模式）。如下图：
优点：性能好；
缺点：配置复杂；
实践建议： DR模式是目前使用最广泛的一种负载均衡方式。
混合型负载均衡
由于多个服务器群内硬件设备、各自的规模、提供的服务等的差异，可以考虑给每个服务器群采用最合适的负载均衡方式，然后又在这多个服务器群间,再一次负载均衡或群集起来以一个整体,向外界提供服务（即把这多个服务器群当做一个新的服务器群），从而达到最佳的性能。将这种方式称之为混合型负载均衡。
方式一，如下图：
以上模式适合有动静分离的场景，反向代理服务器（集群）可以起到缓存和动态请求分发的作用，当静态资源缓存在代理服务器时，则直接返回到浏览器。如果动态页面则请求后面的应用负载均衡（应用集群）。
方式二，如下图：
以上模式，适合动态请求场景。因混合模式，可以根据具体场景，灵活搭配各种方式。
以上两种方式仅供参考。
负载均衡算法
常用的负载均衡算法有，轮询，随机，最少链接，源地址散列，加权等方式；
轮询
将所有请求，依次分发到每台服务器上，适合服务器硬件相同的场景。
优点：服务器请求数目相同；
缺点：服务器压力不一样，不适合服务器配置不同的情况；
随机
请求随机分配到各个服务器。
优点：使用简单；
缺点：不适合机器配置不同的场景；
最少链接
将请求分配到连接数最少的服务器（目前处理请求最少的服务器）。
优点：根据服务器当前的请求处理情况，动态分配；
缺点：算法实现相对复杂，需要监控服务器请求连接数；
Hash（源地址散列）
根据IP地址进行Hash计算，得到IP地址。
优点：将来自同一IP地址的请求，同一会话期内，转发到相同的服务器；实现会话粘滞。
缺点：目标服务器宕机后，会话会丢失；
基于权重的负载均衡
在轮询，随机，最少链接，Hash’等算法的基础上，通过加权的方式，进行负载服务器分配。
优点：根据权重，调节转发服务器的请求数目；
缺点：使用相对复杂；
硬件负载均衡
采用硬件的方式实现负载均衡，一般是单独的负载均衡服务器，价格昂贵，一般土豪级公司可以考虑，业界领先的有两款，F5和A10。 使用硬件负载均衡，主要考虑一下几个方面：
- 功能考虑：功能全面支持各层级的负载均衡，支持全面的负载均衡算法，支持全局负载均衡；
- 性能考虑：一般软件负载均衡支持到5万级并发已经很困难了，硬件负载均衡可以支持
- 稳定性：商用硬件负载均衡，经过了良好的严格的测试，从经过大规模使用，在稳定性方面高；
- 安全防护：硬件均衡设备除具备负载均衡功能外，还具备防火墙，防DDOS攻击等安全功能；
- 维护角度：提供良好的维护管理界面，售后服务和技术支持；
- 土豪公司：F5 Big Ip 价格：15w~55w不等；A10 价格：55w-100w不等；
缺点
- 价格昂贵；
- 扩展能力差；
软件负载均衡
Ngnix负载均衡 Lvs负载均衡 Haproxy负载均衡
应用负载均衡
基于Netflix公司的开源项目ribbon, spring cloud的OpenFeign
