一、软件负载均衡概述
硬件负载均衡性能优越，功能全面，但是价格昂贵，一般适合初期或者土豪级公司长期使用。因此软件负载均衡在互联网领域大量使用。常用的软件负载均衡软件有Nginx，Lvs，HaProxy等。
二、Ngnix负载均衡
Ngnix是一款轻量级的Web服务器/反向代理服务器，工作在七层Http协议的负载均衡系统。具有高性能、高并发、低内存使用等特点。是一个轻量级的Http和反向代理服务器。Nginx使用epoll and kqueue作为开发模型。能够支持高达 50,000 个并发连接数的响应。
操作系统：Liunx，Windows(Linux、FreeBSD、Solaris、Mac OS X、AIX以及Microsoft Windows)
开发语言：C
并发性能：官方支持每秒5万并发，实际国内一般到每秒2万并发，有优化到每秒10万并发的。具体性能看应用场景。
2.1.特点
1.模块化设计：良好的扩展性，可以通过模块方式进行功能扩展。
2.高可靠性：主控进程和worker是同步实现的，一个worker出现问题，会立刻启动另一个worker。
3.内存消耗低：一万个长连接(keep-alive),仅消耗2.5MB内存。
4.支持热部署：不用停止服务器，实现更新配置文件，更换日志文件、更新服务器程序版本。
5.并发能力强：官方数据每秒支持5万并发;
6.功能丰富：优秀的反向代理功能和灵活的负载均衡策略
2.2.功能
2.2.1基本功能
支持静态资源的web服务器。
http,smtp,pop3协议的反向代理服务器、缓存、负载均衡;
支持FASTCGI(fpm)
支持模块化，过滤器(让文本可以实现压缩，节约带宽),ssl及图像大小调整。
内置的健康检查功能
基于名称和ip的虚拟主机
定制访问日志
支持平滑升级
支持KEEPALIVE
支持url rewrite
支持路径别名
支持基于IP和用户名的访问控制。
支持传输速率限制，支持并发数限制。
2.2.2扩展功能
2.2.3性能
Nginx的高并发，官方测试支持5万并发连接。实际生产环境能到2-3万并发连接数。10000个非活跃的HTTP keep-alive 连接仅占用约2.5MB内存。三万并发连接下，10个Nginx进程，消耗内存150M。淘宝tengine团队测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。
2.3架构
2.3.1Nginx的基本工作模式
模块之间是以流水线的方式实现功能的。流水线，指的是一个用户请求，由多个模块组合各自的功能依次实现完成的。比如：第一个模块只负责分析请求首部，第二个模块只负责查找数据，第三个模块只负责压缩数据，依次完成各自工作。来实现整个工作的完成。
他们是如何实现热部署的呢?其实是这样的，我们前面说master不负责具体的工作，而是调用worker工作，他只是负责读取配置文件，因此当一个模块修改或者配置文件发生变化，是由master进行读取，因此此时不会影响到worker工作。在master进行读取配置文件之后，不会立即的把修改的配置文件告知worker。而是让被修改的worker继续使用老的配置文件工作，当worker工作完毕之后，直接当掉这个子进程，更换新的子进程，使用新的规则。
2.3.2Nginx支持的sendfile机制
Sendfile机制，用户将请求发给内核，内核根据用户的请求调用相应用户进程，进程在处理时需要资源。此时再把请求发给内核(进程没有直接IO 的能力)，由内核加载数据。内核查找到数据之后，会把数据复制给用户进程，由用户进程对数据进行封装，之后交给内核，内核在进行tcp/ip首部的封装，最后再发给客户端。这个功能用户进程只是发生了一个封装报文的过程，却要绕一大圈。因此nginx引入了sendfile机制，使得内核在接受到数据之后，不再依靠用户进程给予封装，而是自己查找自己封装，减少了一个很长一段时间的浪费，这是一个提升性能的核心点。
目前高并发的处理，一般都采用sendfile模式。通过直接操作内核层数据，减少应用与内核层数据传递。
2.3.3Nginx通信模型（I/O复用机制）
开发模型：epoll和kqueue。
支持的事件机制：kqueue、epoll、rt signals、/dev/poll 、event ports、select以及poll。
支持的kqueue特性包括EV_CLEAR、EV_DISABLE、NOTE_LOWAT、EV_EOF，可用数据的数量，错误代码.
支持sendfile、sendfile64和sendfilev;文件AIO;DIRECTIO;支持Accept-filters和TCP_DEFER_ACCEP.
以上概念较多，大家自行百度或谷歌，知识领域是网络通信(BIO,NIO,AIO)和多线程方面的知识。
2.4均衡策略
nginx的负载均衡策略可以划分为两大类：内置策略和扩展策略。内置策略包含加权轮询和ip hash，在默认情况下这两种策略会编译进nginx内核，只需在nginx配置中指明参数即可。扩展策略有很多，如fair、通用hash、 consistent hash等，默认不编译进nginx内核。由于在nginx版本升级中负载均衡的代码没有本质性的变化，因此下面将以nginx1.0.15稳定版为例，从源码角度分析各个策略。
2.4.1. 加权轮询（weighted round robin）
轮询的原理很简单，首先我们介绍一下轮询的基本流程。如下是处理一次请求的流程图：
第一，如果可以把加权轮询算法分为先深搜索和先广搜索，那么nginx采用的是先深搜索算法，即将首先将请求都分给高权重的机器，直到该机器的权值降到了比其他机器低，才开始将请求分给下一个高权重的机器;
第二，当所有后端机器都down掉时，nginx会立即将所有机器的标志位清成初始状态，以避免造成所有的机器都处在timeout的状态，从而导致整个前端被夯住。
2.4.2. ip hash
ip hash是nginx内置的另一个负载均衡的策略，流程和轮询很类似，只是其中的算法和具体的策略有些变化，如下图所示：
fair策略是扩展策略，默认不被编译进nginx内核。其原理是根据后端服务器的响应时间判断负载情况，从中选出负载最轻的机器进行分流。这种策略具有很强的自适应性，但是实际的网络环境往往不是那么简单，因此要慎用。
2.4.4 通用hash、一致性hash
这两种也是扩展策略，在具体的实现上有些差别，通用hash比较简单，可以以nginx内置的变量为key进行hash，一致性hash采用了nginx内置的一致性hash环，可以支持memcache。
2.5场景
Ngnix一般作为入口负载均衡或内部负载均衡，结合反向代理服务器使用。以下架构示例，仅供参考，具体使用根据场景而定。
2.5.1入口负载均衡架构
2.5.2内部负载均衡架构
2.5.3Ngnix高可用
Ngnix高可用，至少包含两个Ngnix服务器，一台主服务器，一台备服务器，之间使用Keepalived做健康监控和故障检测。开放VIP端口，通过防火墙进行外部映射。
DNS解析公网的IP实际为VIP。
三、LVS负载均衡
LVS是一个开源的软件，由毕业于国防科技大学的章文嵩博士于1998年5月创立，用来实现Linux平台下的简单负载均衡。LVS是Linux Virtual Server的缩写，意思是Linux虚拟服务器。
基于IP层的负载均衡调度技术，它在操作系统核心层上，将来自IP层的TCP/UDP请求均衡地转移到不同的 服务器，从而将一组服务器构成一个高性能、高可用的虚拟服务器。
操作系统：Liunx
开发语言：C
并发性能：默认4096，可以修改但需要重新编译。
3.1.功能
LVS的主要功能是实现IP层(网络层)负载均衡，有NAT,TUN,DR三种请求转发模式。
3.1.1LVS/NAT方式的负载均衡集群
NAT是指Network Address Translation，它的转发流程是：Director机器收到外界请求，改写数据包的目标地址，按相应的调度算法将其发送到相应Real Server上，Real Server处理完该请求后，将结果数据包返回到其默认网关，即Director机器上，Director机器再改写数据包的源地址，最后将其返回给外界。这样就完成一次负载调度。
构架一个最简单的LVS/NAT方式的负载均衡集群Real Server可以是任何的操作系统，而且无需做任何特殊的设定，惟一要做的就是将其默认网关指向Director机器。Real Server可以使用局域网的内部IP(192.168.0.0/24)。Director要有两块网卡，一块网卡绑定一个外部IP地址 (10.0.0.1)，另一块网卡绑定局域网的内部IP(192.168.0.254)，作为Real Server的默认网关。
LVS/NAT方式实现起来最为简单，而且Real Server使用的是内部IP，可以节省Real IP的开销。但因为执行NAT需要重写流经Director的数据包，在速度上有一定延迟;
当用户的请求非常短，而服务器的回应非常大的情况下，会对Director形成很大压力，成为新的瓶颈，从而使整个系统的性能受到限制。
3.1.2LVS/TUN方式的负载均衡集群
TUN是指IP Tunneling，它的转发流程是：
Director机器收到外界请求，按相应的调度算法,通过IP隧道发送到相应Real Server，Real Server处理完该请求后，将结果数据包直接返回给客户。至此完成一次负载调度。
最简单的LVS/TUN方式的负载均衡集群架构使用IP Tunneling技术，在Director机器和Real Server机器之间架设一个IP Tunnel，通过IP Tunnel将负载分配到Real Server机器上。Director和Real Server之间的关系比较松散，可以是在同一个网络中，也可以是在不同的网络中，只要两者能够通过IP Tunnel相连就行。收到负载分配的Real Server机器处理完后会直接将反馈数据送回给客户，而不必通过Director机器。实际应用中，服务器必须拥有正式的IP地址用于与客户机直接通信，并且所有服务器必须支持IP隧道协议。
该方式中Director将客户请求分配到不同的Real Server，Real Server处理请求后直接回应给用户，这样Director就只处理客户机与服务器的一半连接，极大地提高了Director的调度处理能力，使集群系统能容纳更多的节点数。另外TUN方式中的Real Server可以在任何LAN或WAN上运行，这样可以构筑跨地域的集群，其应对灾难的能力也更强，但是服务器需要为IP封装付出一定的资源开销，而且后端的Real Server必须是支持IP Tunneling的操作系统。
3.3.3LVS/TUN方式的负载均衡集群
DR是指Direct Routing，它的转发流程是：
Director机器收到外界请求，按相应的调度算法将其直接发送到相应Real Server，Real Server处理完该请求后，将结果数据包直接返回给客户，完成一次负载调度。
构架一个最简单的LVS/DR方式的负载均衡集群Real Server和Director都在同一个物理网段中，Director的网卡IP是192.168.0.253，再绑定另一个IP： 192.168.0.254作为对外界的virtual IP，外界客户通过该IP来访问整个集群系统。Real Server在lo上绑定IP：192.168.0.254，同时加入相应的路由。
LVS/DR方式与前面的LVS/TUN方式有些类似，前台的Director机器也是只需要接收和调度外界的请求，而不需要负责返回这些请求的反馈结果，所以能够负载更多的Real Server，提高Director的调度处理能力，使集群系统容纳更多的Real Server。但LVS/DR需要改写请求报文的MAC地址，所以所有服务器必须在同一物理网段内。
3.3架构
LVS架设的服务器集群系统有三个部分组成：最前端的负载均衡层(Loader Balancer)，中间的服务器群组层，用Server Array表示，最底层的数据共享存储层，用Shared Storage表示。在用户看来所有的应用都是透明的，用户只是在使用一个虚拟服务器提供的高性能服务。
LVS的体系架构如图：
Load Balancer层：位于整个集群系统的最前端，有一台或者多台负载调度器(Director Server)组成，LVS模块就安装在Director Server上，而Director的主要作用类似于一个路由器，它含有完成LVS功能所设定的路由表，通过这些路由表把用户的请求分发给Server Array层的应用服务器(Real Server)上。同时，在Director Server上还要安装对Real Server服务的监控模块Ldirectord，此模块用于监测各个Real Server服务的健康状况。在Real Server不可用时把它从LVS路由表中剔除，恢复时重新加入。
Server Array层：由一组实际运行应用服务的机器组成，Real Server可以是WEB服务器、MAIL服务器、FTP服务器、DNS服务器、视频服务器中的一个或者多个，每个Real Server之间通过高速的LAN或分布在各地的WAN相连接。在实际的应用中，Director Server也可以同时兼任Real Server的角色。
Shared Storage层：是为所有Real Server提供共享存储空间和内容一致性的存储区域，在物理上，一般有磁盘阵列设备组成，为了提供内容的一致性，一般可以通过NFS网络文件系统共享数 据，但是NFS在繁忙的业务系统中，性能并不是很好，此时可以采用集群文件系统，例如Red hat的GFS文件系统，oracle提供的OCFS2文件系统等。
从整个LVS结构可以看出，Director Server是整个LVS的核心，目前，用于Director Server的操作系统只能是Linux和FreeBSD，linux2.6内核不用任何设置就可以支持LVS功能，而FreeBSD作为 Director Server的应用还不是很多，性能也不是很好。对于Real Server，几乎可以是所有的系统平台，Linux、windows、Solaris、AIX、BSD系列都能很好的支持。
3.4均衡策略
LVS默认支持八种负载均衡策略，简述如下：
3.4.1.轮询调度（Round Robin）
调度器通过“轮询”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载。
3.4.2.加权轮询（Weighted Round Robin）
调度器通过“加权轮询”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器能处理更多的访问流量。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
3.4.3.最少链接（Least Connections）
调度器通过“最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用“最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。
3.4.4.加权最少链接（Weighted Least Connections）
在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。
3.4.5.基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）
“基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则用“最少链接” 的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器。
3.4.6.带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）
“带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统。它与LBLC算法的不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按“最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器超载，则按“最小连接”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。
3.4.7.目标地址散列（Destination Hashing）
“目标地址散列”调度算法根据请求的目标IP地址，作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
3.4.8.源地址散列（Source Hashing）
“源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
除具备以上负载均衡算法外，还可以自定义均衡策略。
3.5场景
一般作为入口负载均衡或内部负载均衡，结合反向代理服务器使用。相关架构可参考Ngnix场景架构。
4、HaProxy负载均衡
HAProxy也是使用较多的一款负载均衡软件。HAProxy提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP应用的代理，支持虚拟主机，是免费、快速并且可靠的一种解决方案。特别适用于那些负载特大的web站点。运行模式使得它可以很简单安全的整合到当前的架构中，同时可以保护你的web服务器不被暴露到网络上。
4.1.特点
支持两种代理模式：TCP(四层)和HTTP(七层)，支持虚拟主机;
配置简单，支持url检测后端服务器状态;
做负载均衡软件使用，在高并发情况下，处理速度高于nginx;
TCP层多用于Mysql从(读)服务器负载均衡。 (对Mysql进行负载均衡，对后端的DB节点进行检测和负载均衡)
能够补充Nginx的一些缺点比如Session的保持，Cookie引导等工作
4.2.均衡策略
支持四种常用算法：
1.roundrobin：轮询，轮流分配到后端服务器;
2.static-rr：根据后端服务器性能分配;
3.leastconn：最小连接者优先处理;
4.source：根据请求源IP，与Nginx的IP_Hash类似。
五、本次分享总结
以上是本周的分享，从主要讲解了软件负载均衡的应用背景，Ngnix负载均衡，LVS负载均衡，Haproxy负载均衡。
因为时间关系，有些讲解的不细致，大家可以问下度娘/Google，希望本次分享对大家有帮助。