1、概述
很明显通过前面的八篇文章的介绍，并不能覆盖负载均衡层的所有技术，但是可以作为一个引子，告诉各位读者一个学习和使用负载均衡技术的思路。虽然后面我们将转向 “业务层” 和“业务通信”层的介绍，但是对负载均衡层的介绍也不会停止。在后续的时间我们将穿插进行负载均衡层的新文章的发布，包括 Nginx 技术的再介绍、HaProxy、LVS 新的使用场景等等。
这篇文章我们对前面的知识点进行总结，并有意进行一些扩展，以便于各位读者找到新的学习思路。
2、负载均衡层的核心思想
2-1、一致性哈希与 Key 的选取
在《架构设计：负载均衡层设计方案（2）——Nginx 安装》 文章中我们详细介绍了一致性哈希算法。并且强调了一致性 Hash 算法是现代系统架构中的最关键算法之一，在分布式计算系统、分布式存储系统、数据分析等众多领域中广泛应用。针对我的博文，在负载均衡层、业务通信层、数据存储层都会有它的身影。
一致性算法的核心是：
- 使用对象的某一个属性（这个属性可以是服务器的 IP 地址、开放端口 还可以是用户名、某种加密串。凡是你可以想到的有散列意义的属性），算出一个整数，让其分布在 0 至 2 的 32 次方 范围内。
- 一台服务器的某个或者某一些属性当然也可以进行 hash 计算，并且根据计算分布在这个圆环上的某一个点，也就是图中圆环上的蓝色点。
- 一个处理请求到来时，根据这个请求的某一个或者某一些属性进行 hash 计算，并且根据计算记过分布在这个圆环上的某一个点上。也就是上图圆环上的黄色点。
- 我们约定落在某一个蓝点 A 左侧和蓝点 B 右侧的黄色点所代表的请求，都有蓝点 A 所代表的服务器进行处理，这样就完成解决了 “谁来处理” 的问题。在蓝色点稳定存在的前提下，来自于同一个 Hash 约定的请求所落在的位置都是一样的，这就保证了服务处理映射的稳定性。
- 当某一个蓝色点由于某种原因下线，其所影响到的黄色点也是有限的。即下一次客户端的请求将由其他的蓝色点所代表的服务器进行处理。
2-2、轮询与权
不加权轮询，就是主控节点（任务来源点）在不考虑目标节点的任何因素的情况下（例如 CPU 性能、磁盘性能、网络性能），按照目标节点的列表顺序将任务依次分配下去。这是最简单的轮询，也是对主控节点实现复杂性要求最低的轮询。我之前的博文《架构设计：负载均衡层设计方案（2）——Nginx 安装》、《架构设计：负载均衡层设计方案（4）——LVS 原理》 都对这种最简轮询进行了介绍：例如 LVS 中的 “rr” 参数。
加权轮询中的 “权”，您可以看成是“轮询” 依据的意思。“权”可以是很多种可能，可以是目标机器的性能量化值、可以是一个固定的数字（按照固定数字加权）、可以是目标节点的网络速度。例如 LVS 中的 “lc” 参数，就是指按照目标机器，现在已有的 “连接” 数量进行加权：连接数量越少，越有更大的几率获得这个任务的处理权。
2-3、租约与健康检查
租约协议主要为了保证一个事实：如果服务器对客户端的检查操作在 “最迟时间” 失败后，那么服务器端肯定会注销客户端的登录信息，同时客户端上服务器的连接信息也会消失（并且不在向下提供服务）。每一次检查成功，这个 “最迟时间” 都会向后推移。
租约协议和我们提到的哈希算法一下一样，也是系统架构设计中最基本的设计思想，并且大量运用在各类型的系统中，它的工作原理是每一位架构师都需要掌握的。例如：zookeeper 使用这个协议保证 Flow 节点和 Leader 节点的链路是正常的；分布式存储系统用这个协议保证 datanode 和 namenode 的连接是正常的；
3、负载均衡层技术汇总
在前面的博文中，我重点介绍了 Nginx、LVS、Keepalived 技术。由于时间有限，这里我们对博文中提到的几种技术进行一个总结，然后再扩展介绍一下 DNS 技术、CDN 技术和硬件负载技术。
3-1、Nginx 技术
在负载均衡层这个大的章节中，我有三篇文章都在直接介绍 Nginx 的原理和使用。但是之后有朋友给我反映还想了解更多的 Nginx 知识，特别点名要求我再做一篇文章介绍 Nginx 的动态缓存。是的，我在后面的时间里是有计划介绍 Nginx 的动态缓存技术，还会介绍 Nginx 和多款主流的反向代理软件的性能对比。但这需要时间，特别是我不想去网上找一些已有的性能对比图，还是自己一边做这样的性能测试，一边做性能报告比较靠谱。
下面这些技术是我在博文中已经重点介绍过得，我们再做一下总结：
- Nginx 中的连接数限制问题
重要的配置项包括：worker_processes、worker_connections。但是光是配置这些属性是不够的，最关键的是我们要打开操作系统级别的 “最大文件数” 限制问题。使用 “ulimit -n 65535” 设置本次会话的 “最大文件数” 限制；还要使用 “vim /etc/security/limits.conf” 命令，修改内核的配置信息。主要是以下两项：
* soft nofile 65535
* hard nofile 65535
另外，还要注意和 nginx 配置项中的 “worker_rlimit_nofile” 属性共同使用：
user root root;
worker_processes 4;
worker_rlimit_nofile 65535;
#error_log logs/error.log;
#error_log logs/error.log notice;
#error_log logs/error.log info;
#pid logs/nginx.pid;
events {
use epoll;
worker_connections 65535;
}
- Nginx 中的 Gzip 技术
gzip 是 Nginx 进行 HTTP Body 数据压缩的技术。下面这段 Nginx 配置信息是启用 gzip 压缩的实例：
#开启gzip压缩服务，
gzip on;
#gzip压缩是要申请临时内存空间的，假设前提是压缩后大小是小于等于压缩前的。例如，如果原始文件大小为10K，那么它超过了8K，所以分配的内存是8 * 2 = 16K;再例如，原始文件大小为18K，很明显16K也是不够的，那么按照 8 * 2 * 2 = 32K的大小申请内存。如果没有设置，默认值是申请跟原始数据相同大小的内存空间去存储gzip压缩结果。
gzip_buffers 2 8k;
#进行压缩的原始文件的最小大小值，也就是说如果原始文件小于5K，那么就不会进行压缩了
gzip_min_length 5K;
#gzip压缩基于的http协议版本，默认就是HTTP 1.1
gzip_http_version 1.1;
# gzip压缩级别1-9，级别越高压缩率越大，压缩时间也就越长CPU越高
gzip_comp_level 5;
#需要进行gzip压缩的Content-Type的Header的类型。建议js、text、css、xml、json都要进行压缩；图片就没必要了，gif、jpge文件已经压缩得很好了，就算再压，效果也不好，而且还耗费cpu。
gzip_types text/HTML text/plain application/x-javascript text/css application/xml;
http 返回数据进行压缩的功能在很多场景下都实用：
a、 如果浏览器使用的是 3G/4G 网络，那么流量对于用户来说就是 money。
b、 压缩可节约服务器机房的对外带宽，为更多用户服务。按照目前的市场价良好的机房带宽资源的一般在 200RMB/Mbps，而服务器方案的压力往往也来自于机房带宽。
c、 不是 Nginx 开启了 gzip 功能，HTTP 响应的数据就一定会被压缩，除了满足 Nginx 设置的 “需要压缩的 http 格式” 以外，客户端（浏览器）也需要支持 gzip（不然它怎么解压呢），一个好消息是，目前大多数浏览器和 API 都支持 http 压缩。
- Nginx 中的 rewrite（重写）技术
Nginx 的强大在于其对 URL 请求的重写（重定位）。Nginx 的 rewrite 功能依赖于 PCRE Lib，请一定在 Nginx 编译安装时，安装 Pcre lib。
Nginx 的 rewrite 功能在我《架构设计：负载均衡层设计方案（3）——Nginx 进阶》 这边博客中进行了讲解。
下面是一段 rewrite 的示例：
#示例1：
location ~* ^/(.+)/(.+)\.(jpg|gif|png|jpeg)$ {
rewrite ^/orderinfo/(.+)\.(jpg|gif|png|jpeg)$ /img/$1.$2 break;
root /cephclient;
}
#location在不进行大小写区分的情况下利用正则表达式对$url进行匹配。当匹配成功后进行rewrite重定位。
#rewrite进行重写url的规则是：regex表达式第一个括号中的内容对应$1，regex表达式第二个括号中的内容对应$2，以此类推。
#这样重定位的意义就很明确了：将任何目录下的文件名重定位到img目录下的对应文件名，
#并且马上在这个location中（注意是Nginx，而不是客户端）执行这个重写后的URL定位。
#示例2：
server {
。。。。
。。。。
location ~* ^/orderinfo/(.+)\.(jpg|gif|png|jpeg)$ {
rewrite ^/orderinfo/(.+)\.(.+)$ /img/$1.$2 last;
}
location / {
root /cephclient;
}
}
#在server中，有两个location位置，当url需要访问orderinfo目录下的某一个图片时，rewrite将重写这个url，
#并且重新带入这个url到server执行，这样“location /”这个location就会执行了，并找到图片存储的目录。
- Nginx 的图片处理模块
http_image_filter_module 是 nginx 的图片处理模块，是使用 nginx 进行静态资源和动态资源分开管理的关键引用技术。通过这个模块可以对静态资源进行缩放、旋转、验证。
需要注意的是，http_image_filter_module 模块所处理的缩率图片是不进行保存的，完全使用节点的 CPU 性能进行计算，使用节点的内存进行临时存储。所以如果要使用 http_image_filter_module 进行图片处理，一定要根据客户端的请求规模进行 nginx 节点的调整。并且当站点的 PV 达到一定的规模时，一定要使用 CDN 技术进行访问加速、对图片的访问处理手段进行规划。
由于我们在之前涉及 Nginx 的文章中，并没有详细讲解 Nginx 的图片处理模块，只是说了要进行介绍，所以这里我给出一个较为详细的安装和配置示例：
nginx 的 http_image_filter_module 模块由 GD library 进行支持，所以要使用这个图片处理模块，就必须进行第三方依赖包的安装：
yum install gd-devel
然后，Nginx 要进行重新编译：
configure --with-http_image_filter_module
make && make install
使用图片处理模块的配置示例：
location ~* /(.+)_(\d+)_(\d+)\.(jpg|gif|png|ioc|jpeg)$ {
set $h $3;
set $w $2;
rewrite /(.+)_(\d+)_(\d+)\.(jpg|gif|png|ioc|jpeg)$ /$1.$4 break;
image_filter resize $w $h;
image_filter_buffer 2M;
}
其中关于正则表达式的语法和已经介绍过的 rewrite 的语法就不再进行介绍了，主要看 http_image_filter_module 相关的属性设置：
image_filter test：测试图片文件合法性
image_filter rotate：进行图片旋转，只能按照 90 | 180 | 270 进行旋转
image_filter size：返回图片的 JSON 数据
image_filter resize width height：按比例进行图片的等比例缩小，注意，是只能缩小，第二缩小是等比例的。
image_filter_buffer：限制图片最大读取大小，没有设置就是 1M；根据不同的系统最好设置为 2M—3M
image_filter_jpeg_quality：设置 jpeg 图片的压缩比例（1-99，越高越好）
image_filter_transparency：禁用 gif 和 png 图片的透明度。
- 和 Nginx 类似的其他技术 / 软件
目前行业内也有很多与 Nginx 解决同类问题的软件，他们分别是 Apache 基金会的 Apache HTTP Server、淘宝开源的 Tengine、Haproxy、包括 Windows 下运行的 IIS，也支持反向代理 。
这里笔者再次重点提到 Tengine，建议各位读者有时间的时候可以使用一下，这个对 Nginx 进行了深度再开发的软件。
3-2、LVS 技术
LVS 是 Linux Virtual Server 的简写，意即 Linux 虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。本项目在 1998 年 5 月由章文嵩博士成立。
LVS 集群采用 IP 负载均衡技术和基于内容请求分发技术。调度器具有很好的吞吐率，将请求均衡地转移到不同的服务器上执行，且调度器自动屏蔽掉服务器的故障，从而将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器。整个服务器集群的结构对客户是透明的，而且无需修改客户端和服务器端的程序。
在我的系列文章中，《架构设计：负载均衡层设计方案（4）——LVS 原理》 、《架构设计：负载均衡层设计方案（5）——LVS 单节点安装》 、《负载均衡层设计方案（7）——LVS + Keepalived + Nginx 安装及配置》 都涉及到 LVS 的讲解。
这里我们再总结一下 LVS 中的三种工作模式：
3-2-1、NAT 模式
NAT 方式是一种由 LVS Master 服务节点收到数据报，然后转给下层的 Real Server 节点，当 Real Server 处理完成后回发给 LVS Master 节点然后又由 LVS Master 节点转发出去的工作方式。LVS 的管理程序 IPVSADMIN 负责绑定转发规则，并完成 IP 数据报文和 TCP 数据报文中属性的重写。
LVS-NAT 模式的优点在于：
配置管理简单。LVS-NAT 的工作方式是 LVS 三种工作模式中最容易理解、最容易配置、最容易管理的工作模式。
节省外网 IP 资源，一般机房分配给使用者的 IP 数量是有限的，特别是您购买的机架的数量不多时。LVS-NAT 工作方式将您的系统架构封装在局域网中，只需要 LVS 有一个外网地址或外网地址映射就可以实现访问了。
系统架构相对封闭。在内网环境下我们对防火墙的设置要求不会很高，也相对容易进行物理服务器的运维。您可以设置来源于外网的请求需要进行防火墙过滤，而对内网请求开放访问。
另外改写后转给 Real Server 的数据报文，Real Server 并不会关心它的真实性，只要 TCP 校验和 IP 校验都能通过，Real Server 就可以进行处理。所以 LVS-NAT 工作模式下 Real Server 可以是任何操作系统，只要它支持 TCP/IP 协议即可。
3-2-2、DR 模式
LVS 的 DR 工作模式，是目前生产环境中最常用的一种工作模式，网上的资料也是最多的，有的文章对 DR 工作模式的讲解还是比较透彻的：
LVS-DR 模式的优点在于：
解决了 LVS-NAT 工作模式中的转发瓶颈问题，能够支撑规模更大的负载均衡场景。
比较耗费网外 IP 资源，机房的外网 IP 资源都是有限的，如果在正式生产环境中确实存在这个问题，可以采用 LVS-NAT 和 LVS-DR 混合使用的方式来缓解。
LVS-DR 当然也有缺点：
配置工作较 LVS-NAT 方式稍微麻烦一点，您至少需要了解 LVS-DR 模式的基本工作方式才能更好的指导自己进行 LVS-DR 模式的配置和运行过程中问题的解决。
由于 LVS-DR 模式的报文改写规则，导致 LVS 节点和 Real Server 节点必须在一个网段，因为二层交换是没法跨子网的。但是这个问题针对大多数系统架构方案来说，实际上并没有本质限制。
3-2-3、TUN 模式
LVS-DR 模式和 LVS-TUN 模式的工作原理完全不一样，工作场景完全不一样。DR 基于数据报文重写，TUN 模式基于 IP 隧道，后者是对数据报文的重新封装：
IPIP 隧道。将一个完整的 IP 报文封装成另一个新的 IP 报文的数据部分，并通过路由器传送到指定的地点。在这个过程中路由器并不在意被封装的原始协议的内容。到达目的地点后，由目的地方依靠自己的计算能力和对 IPIP 隧道协议的支持，打开封装协议，取得原始协议：
可以说 LVS-TUN 方式基本上具有 LVS-DR 的优点。在此基础上又支持跨子网间穿透。
3-3、CDN 技术
CDN 技术 Content Delivery Network：内容分发网络。为什么有时我们访问互联网上的视频资源、图片资源会比较慢，甚至访问失败。其中有一个重要的原因，是资源的物理位置离客户端太远了，可能其中有 4 层 NAT 设备（相当于使用网通的线路访问电信服务器上的资源）。
我们试想一下，如果将我们要访问的资源放到离我们客户端最近的一个服务上（例如在广州的客户端访问的资源就在广州的机房）。那么是不是就解决了这个问题（这个点称为 “边缘节点”）。这就是 CDN 网络解决的问题，如下图所示：
目前 CDN 服务不需要我们进行开发，市面上有很多公司都提供免费的 / 付费的 CDN 服务（请直接在 google 或者百度上面输入：CDN，就会有很多 “推广” 信息了，在我的博文中不打广告 _）。当然如果您想自行搭建 CDN 网络，可以参考以下技术方案：
Squid：Squid 是一个缓存 internet 数据的一个软件，它接收用户的下载申请，并自动处理所下载的数据。目前，国内很多 CDN 服务商的网络都是基于 Squid 搭建的
利用 Nginx 的 proxy_cache 搭建：Nginx 中的 rewrite 技术实际上就可以实现 URL 请求重写，实现请求转发。而 Nginx 中的 proxy_cache 组件可以使得从远端请求的源数据保存在本地，从而实现一个 CDN 网络的搭建。
自己写：CDN 网络没有特别复杂的技术门槛，如果您有特别的需求，可以自己写一个。当然上图中所介绍的 CDN 网络属于第一代 CDN 网络，将第二代 / 第三代 P2P 技术加入到 CDN 原理中，可以形成第二代 CDN 网络：如下图所示：
第三代 P2P 技术又被称为混合型 P2P 技术主要是为了解决元数据服务器的处理压力，加速资源的本地化速度。关于 P2P 技术我会在讲完 “业务系统设计”、“业务通信系统设计” 后，专门做一个新的专题进行介绍。另外提一下，YouTube 的 P2P 网络就是自己做的。
4、后文介绍
要总结的内容实在太多了，我决定再开一篇文章《架构设计：负载均衡层设计方案（9）——负载均衡层总结下篇》，继续进行负载均衡层技术的总结。我们将总结 Keepalived、DNS 技术、硬件负载，并且向大家介绍更广义的负载均衡技术。
