F5及常见负载均衡方式和算法

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BIGIP支持以下负载均衡选项.

轮询(Round Robin)

将请求按照顺序循环地连接每一个服务器。当其中某个服务器发生第2到第7层的故障,BIGIP就把其从顺序循环队列中拿出,不参加下一次的轮询,直到其恢复正常。

最小的连接数(Least Connection)

传递新的连接给那些进行最少连接处理的服务器。当其中某个服务器发生第2到第7层的故障,BIGIP就把其从服务器队列中拿出,不参加下一次的用户请求的分配,直到其恢复正常。

最快模式(Fastest)

传递连接给那些响应最快的服务器。当其中某个服务器发生第2到第7层的故障,BIGIP就把其从服务器队列中拿出,不参加下一次的用户请求的分配,直到其恢复正常。

观察模式(Observed)

连接数目和响应时间以这两项的最佳平衡为依据为新的请求选择服务器。当其中某个服务器发生第2到第7层的故障,BIGIP就把其从服务器队列中拿出,不参加下一次的用户请求的分配,直到其恢复正常。

预测模式(Predictive)

BIGIP利用收集到的服务器当前的性能指标,进行预测分析,选择一台服务器在下一个时间片内,其性能将达到最佳的服务器相应用户的请求。

动态比率(Dynamic Ratio)

BIGIP通过Agent或者SNMP收集服务器的CPU占用率、内存占用率、磁盘占用率等系统关键参数,并按照比率来对这些参数进行计算,最终得出服务器的性能状况来进行流量分配。

常见负载均衡类型

考虑到服务请求的不同类型、服务器的不同处理能力以及随机选择造成的负载分配不均匀等问题,为了更加合理的把负载分配给内部的多个服务器,就需要应用相应的能够正确反映各个服务器处理能力及网络状态的负载均衡类型。

轮循均衡(Round Robin): 每一次来自网络的请求轮流分配给后端服务器,从1至N然后重新开始。此种均衡算法适合于服务器组中的所有服务器都有相同的软硬件配置,并且平均服务请求相对均衡的情况。

权重轮循均衡(Weighted Round Robin): 根据服务器的不同处理能力,给每个服务器分配不同的权值,使其能够接受相应权值数的服务请求。例如:服务器A的权值被设计成1,B的权值是3,C的权值是6,则服务器A、B、C将分别接受到10%、30%、60%的服务请求。此种均衡算法能确保高性能的服务器得到更多的使用率,避免低性能的服务器负载过重。

随机均衡(Random): 把来自网络的请求随机分配给内部中的多个服务器。

权重随机均衡(Weighted Random): 此种均衡算法类似于权重轮循算法,不过在处理请求分担时是个随机选择的过程。

响应速度均衡(Response Time): 负载均衡设备对内部各服务器发出一个探测请求(例如Ping),然后根据内部中各服务器对探测请求的最快响应时间来决定哪一台服务器来响应客户端的服务请求。此种均衡算法能较好的反映服务器的当前运行状态,但这最快响应时间仅仅指的是负载均衡设备与服务器间的最快响应时间,而不是客户端与服务器间的最快响应时间。

最少连接数均衡(Least Connection): 客户端的每一次请求服务在服务器停留的时间可能会有较大的差异,随着工作时间加长,如果采用简单的轮循或随机均衡算法,每一台服务器上的连接进程可能会产生极大的不同,并没有达到真正的负载均衡。最少连接数均衡算法对内部中需负载的每一台服务器都有一个数据记录,记录当前该服务器正在处理的连接数量,当有新的服务连接请求时,将把当前请求分配给连接数最少的服务器,使均衡更加符合实际情况,负载更加均衡。此种均衡算法适合长时处理的请求服务,如FTP。

处理能力均衡: 此种均衡算法将把服务请求分配给内部中处理负荷(根据服务器CPU型号、CPU数量、内存大小及当前连接数等换算而成)最轻的服务器,由于考虑到了内部服务器的处理能力及当前网络运行状况,所以此种均衡算法相对来说更加精确,尤其适合运用到第七层(应用层)负载均衡的情况下。

DNS响应均衡(Flash DNS): 在Internet上,无论是HTTP、FTP或是其它的服务请求,客户端一般都是通过域名解析来找到服务器确切的IP地址的。在此均衡算法下,分处在不同地理位置的负载均衡设备收到同一个客户端的域名解析请求,并在同一时间内把此域名解析成各自相对应服务器的IP地址(即与此负载均衡设备在同一位地理位置的服务器的IP地址)并返回给客户端,则客户端将以最先收到的域名解析IP地址来继续请求服务,而忽略其它的IP地址响应。在种均衡策略适合应用在全局负载均衡的情况下,对本地负载均衡是没有意义的。

常见均衡调度算法

我们知道,负载均衡器在负载均衡设备中的作用是至关重要的,它起着承上启下的作用。一方面接收用户的网络请求,一方面把请求按照某种算法转接到特定的应用服务器中,实现负载均衡。所以,负载均衡器中的算法是至关重要的。大多数负载均衡设备实现了以下多种算法。

轮询调度(Round Robin Scheduling)算法就是以轮询的方式依次将请求调度到不同的服务器,即每次调度执行i = (i + 1) mod n,并选出第i台服务器。算法的优点是其简洁性,它无需记录当前所有连接的状态,所以它是一种无状态调度。

最小连接调度(Least Connection Scheduling)算法是把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。最小连接调度是一种动态调度算法,它通过服务器当前所活跃的连接数来估计服务器的负载情况。

在实际实现过程中,一般会为每台服务器设定一个权重值,这就是加权最小连接调度(Weighted Least-Connection Scheduling)。

基于局部性的最少链接(LBLC): 基于局部性的最少链接调度(Locality-Based Least Connections Scheduling,以下简称为LBLC)算法是针对请求报文的目标IP地址的负载均衡调度,目前主要用于Cache集群系统,因为在Cache集群中客户请求报文的目标IP地址是变化的。

LBLC调度算法先根据请求的目标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,或服务器超载或有服务器处于其一半的工作负载,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。

带复制的基于局部性最少链接(LBLCR): 带复制的基于局部性最少链接调度(Locality-Based Least Connections with Replication Scheduling,以下简称为LBLCR)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。

LBLCR调度算法将“热门”站点映射到一组Cache服务器(服务器集合),当该“热门”站点的请求负载增加时,会增加集合里的Cache服务器,来处理不断增长的负载; 当该“热门”站点的请求负载降低时,会减少集合里的Cache服务器数目。这样,该“热门”站点的映像不太可能出现在所有的Cache服务器上,从而提供Cache集群系统的使用效率。

目标地址散列调度(Destination Hashing Scheduling): 目标地址散列调度(Destination Hashing Scheduling)算法是针对目标IP地址的负载均衡,但它是一种静态映射算法,通过一个散列(Hash)函数将一个目标IP地址映射到一台服务器。

目标地址散列调度算法先根据请求的目标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。

源地址散列调度(Source Hashing Scheduling): 和目标地址散列调度类似,唯一的区别是按照源地址为散列函数的散列键。

在实际应用中,源地址散列调度和目标地址散列调度可以结合使用在防火墙集群中,它们可以保证整个系统的唯一出入口。

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