前言
當前，無論在企業網、園區網還是在廣域網如Internet上，業務量的發展都超出了過去最樂觀的估計，上網熱潮風起雲湧，新的應 用層出不窮，即使按照當時最優配置建設的網絡，也很快會感到吃不消。尤其是各個網絡的核心部分，其數據流量和計算強度之大， 使得單一設備根本無法承擔，而如何在完成同樣功能的多個網絡設備之間實現合理的業務量分配，使之不致於出現一台設備過忙、而 別的設備卻未充分發揮處理能力的情況，就成了一個問題，負載均衡機制也因此應運而生。
負載均衡建立在現有網絡結構之上，它提供了一種廉價有效的方法擴展服務器帶寬和增加吞吐量，加強網絡數據處理能力，提高 網絡的靈活性和可用性。它主要完成以下任務：解決網絡擁塞問題，服務就近提供，實現地理位置無關性 ；為用戶提供更好的訪問質 量；提高服務器響應速度；提高服務器及其他資源的利用效率；避免了網絡關鍵部位出現單點失效。
定義
其實，負載均衡並非傳統意義上的“均衡”，一般來說，它只是把有可能擁塞於一個地方的負載交給多個地方分擔。如果將其改 稱為“負載分擔”，也許更好懂一些。說得通俗一點，負載均衡在網絡中的作用就像輪流值日制度，把任務分給大家來完成，以免讓 一個人累死累活。不過，這種意義上的均衡一般是靜態的，也就是事先確定的“輪值”策略 。
與輪流值日制度不同的是，動態負載均衡通過一些工具實時地分析數據包，掌握網絡中的數據流量狀況，把任務合理分配出去。 結構上分為本地負載均衡和地域負載均衡(全局負載均衡)，前一種是指對本地的服務器集群做負載均衡，後一種是指對分別放置在不 同的地理位置、在不同的網絡及服務器群集之間作負載均衡。
服務器群集中每個服務結點運行一個所需服務器程序的獨立拷貝，諸如Web、FTP、Telnet或e-mail服務器程序。對於某些服務（如 運行在Web服務器上的那些服務）而言，程序的一個拷貝運行在群集內所有的主機上，而網絡負載均衡則將工作負載在這些主機間進 行分配。對於其他服務（例如e-mail），只有一台主機處理工作負載，針對這些服務，網絡負載均衡允許網絡通訊量流到一個主機 上，並在該主機發生故障時將通訊量移至其他主機。
負載均衡技術實現結構
在現有網絡結構之上，負載均衡提供了一種廉價有效的方法擴展服務器帶寬和增加吞吐量，加強網絡數據處理能力，提高網絡的 靈活性和可用性。它主要完成以下任務：
◆解決網絡擁塞問題，服務就近提供，實現地理位置無關性
◆為用戶提供更好的訪問質量
◆提高服務器響應速度
◆提高服務器及其他資源的利用效率
◆避免了網絡關鍵部位出現單點失效
廣義上的負載均衡既可以設置專門的網關、負載均衡器，也可以通過一些專用軟件與協議來實現。對一個網絡的負載均衡應用， 從網絡的不同層次入手，根據網絡瓶頸所在進行具體分析。從客戶端應用為起點縱向分析，參考OSI的分層模型，我們把負載均衡技 術的實現分為客戶端負載均衡技術、應用服務器技術、高層協議交換、網絡接入協議交換等幾種方式。
負載均衡的層次
◆基於客戶端的負載均衡
這種模式指的是在網絡的客戶端運行特定的程序，該程序通過定期或不定期的收集服務器群的運行參數：CPU占用情況、磁盤 IO、內存等動態信息，再根據某種選擇策略，找到可以提供服務的最佳服務器，將本地的應用請求發向它。如果負載信息采集程序發 現服務器失效，則找到其他可替代的服務器作為服務選擇。整個過程對於應用程序來說是完全透明的，所有的工作都在運行時處理。 因此這也是一種動態的負載均衡技術。
但這種技術存在通用性的問題。因為每一個客戶端都要安裝這個特殊的采集程序；並且，為了保證應用層的透明運行，需要針對 每一個應用程序加以修改，通過動態鏈接庫或者嵌入的方法，將客戶端的訪問請求能夠先經過采集程序再發往服務器，以重定向的過 程進行。對於每一個應用幾乎要對代碼進行重新開發，工作量比較大。
所以，這種技術僅在特殊的應用場合才使用到，比如在執行某些專有任務的時候，比較需要分布式的計算能力，對應用的開發沒 有太多要求。另外，在采用JAVA構架模型中，常常使用這種模式實現分布式的負載均衡，因為java應用都基於虛擬機進行，可以在應 用層和虛擬機之間設計一個中間層，處理負載均衡的工作。
◆應用服務器的負載均衡技術
如果將客戶端的負載均衡層移植到某一個中間平台，形成三層結構，則客戶端應用可以不需要做特殊的修改，透明的通過中間層 應用服務器將請求均衡到相應的服務結點。比較常見的實現手段就是反向代理技術。使用反向代理服務器，可以將請求均勻轉發給多 台服務器，或者直接將緩存的數據返回客戶端，這樣的加速模式在一定程度上可以提升靜態網頁的訪問速度，從而達到負載均衡的目 的。
使用反向代理的好處是，可以將負載均衡和代理服務器的高速緩存技術結合在一起，提供有益的性能。然而它本身也存在一些問 題，首先就是必須為每一種服務都專門開發一個反向代理服務器，這就不是一個輕松的任務。
反向代理服務器本身雖然可以達到很高效率，但是針對每一次代理，代理服務器就必須維護兩個連接，一個對外的連接，一個對 內的連接，因此對於特別高的連接請求，代理服務器的負載也就非常之大。反向代理能夠執行針對應用協議而優化的負載均衡策略， 每次僅訪問最空閒的內部服務器來提供服務。但是隨著並發連接數量的增加，代理服務器本身的負載也變得非常大，最後反向代理服 務器本身會成為服務的瓶頸。
◆基於域名系統的負載均衡
NCSA的可擴展Web是最早使用動態DNS輪詢技術的web系統。在DNS中為多個地址配置同一個名字，因而查詢這個名字的客戶機將 得到其中一個地址，從而使得不同的客戶訪問不同的服務器，達到負載均衡的目的。在很多知名的web站點都使用了這個技術：包括 早期的yahoo站點、163等。動態DNS輪詢實現起來簡單，無需復雜的配置和管理，一般支持bind8.2以上的類unix系統都能夠運行，因 此廣為使用。
DNS負載均衡是一種簡單而有效的方法，但是存在不少問題。
首先域名服務器無法知道服務結點是否有效，如果服務結點失效，余名系統依然會將域名解析到該節點上，造成用戶訪問失效。
其次，由於DNS的數據刷新時間TTL（Time to LIVE）標志，一旦超過這個TTL，其他DNS服務器就需要和這個服務器交互，以重 新獲得地址數據，就有可能獲得不同IP地址。因此為了使地址能隨機分配，就應使TTL盡量短，不同地方的DNS服務器能更新對應的 地址，達到隨機獲得地址。然而將TTL設置得過短，將使DNS流量大增，而造成額外的網絡問題。
最後，它不能區分服務器的差異，也不能反映服務器的當前運行狀態。當使用DNS負載均衡的時候，必須盡量保證不同的客戶計 算機能均勻獲得不同的地址。例如，用戶A可能只是浏覽幾個網頁，而用戶B可能進行著大量的下載，由於域名系統沒有合適的負載策 略，僅僅是簡單的輪流均衡，很容易將用戶A的請求發往負載輕的站點，而將B的請求發往負載已經很重的站點。因此，在動態平衡特 性上，動態DNS輪詢的效果並不理想。
◆高層協議內容交換技術
除了上述的幾種負載均衡方式之外，還有在協議內部支持負載均衡能力的技術，即URL交換或七層交換，提供了一種對訪問流量 的高層控制方式。Web內容交換技術檢查所有的HTTP報頭，根據報頭內的信息來執行負載均衡的決策。例如可以根據這些信息來確定 如何為個人主頁和圖像數據等內容提供服務，常見的有HTTP協議中的重定向能力等。
HTTP運行於TCP連接的最高層。客戶端通過恆定的端口號80的TCP服務直接連接到服務器，然後通過TCP連接向服務器端發送一個 HTTP請求。協議交換根據內容策略來控制負載，而不是根據TCP端口號，所以不會造成訪問流量的滯留。
由於負載平衡設備要把進入的請求分配給多個服務器，因此，它只能在TCP連接時建立，且HTTP請求通過後才能確定如何進行負 載的平衡。當一個網站的點擊率達到每秒上百甚至上千次時，TCP連接、HTTP報頭信息的分析以及進程的時延已經變得很重要了，要 盡一切可能提高這幾各部份的性能。
在HTTP請求和報頭中有很多對負載平衡有用的信息。我們可以從這些信息中獲知客戶端所請求的URL和網頁，利用這個信息，負 載平衡設備就可以將所有的圖像請求引導到一個圖像服務器，或者根據URL的數據庫查詢內容調用CGI程序，將請求引導到一個專用 的高性能數據庫服務器。
如果網絡管理員熟悉內容交換技術，他可以根據HTTP報頭的cookie字段來使用Web內容交換技術改善對特定客戶的服務，如果能 從HTTP請求中找到一些規律，還可以充分利用它作出各種決策。除了TCP連接表的問題外，如何查找合適的HTTP報頭信息以及作出 負載平衡決策的過程，是影響Web內容交換技術性能的重要問題。如果Web服務器已經為圖像服務、SSL對話、數據庫事務服務之類的 特殊功能進行了優化，那麼，采用這個層次的流量控制將可以提高網絡的性能。
◆網絡接入協議交換
大型的網絡一般都是由大量專用技術設備組成的，如包括防火牆、路由器、第3、4層交換機、負載均衡設備、緩沖服務器和Web 服務器等。如何將這些技術設備有機地組合在一起，是一個直接影響到網絡性能的關鍵性問題。現在許多交換機提供第四層交換功 能，對外提供一個一致的IP地址，並映射為多個內部IP地址，對每次TCP和UDP連接請求，根據其端口號，按照即定的策略動態選擇 一個內部地址，將數據包轉發到該地址上.
