简介
任务分配器是系统从单机到集群的过程中做任务分配必不可少的，任务分配的意思是指每台机器都可以处理完整的业务任务，不同的任务分配到不同的机器 上执行。 我们从最简单的一台服务器变为两台服务器开始来研究任务分配带来的复杂性，整体架构 示意图如下。
从上图可以看到， 1 台服务器演变为 2 台服务器后，架构上明显要复杂得多，主要体现在几个方面。
(1）需要增加一个任务分配器，这个分配器可能是硬件网络设备（例如， F5、交换机等）， 可能是软件网络设备（例如， LVS），也可能是负载均衡软件（例如， Nginx、 HAProxy），还可 能是自己开发的系统。选择合适的任务分配器也是一件复杂的事情，需要综合考虑性能、成本、 可维护性、可用性等各方面的因素。
(2） 任务分配器和真正的业务服务器之间有连接和交互（即图中任务分配器到业务服务器的连接线），需要选择合适的连接方式，并且对连接进行管理。 例如，连接建立、连接检测、连接中断后如何处理等。
(3）任务分配器需要增加分配算法。例如，采用轮询算法，按权重分配，或者按照负载进行分配。如果按照服务器的负载进行分配，则业务服务器还要能够上报自己的状态给任务分配器。
这个分配器可能是硬件网络设备（例如， F5、交换机等）， 可能是软件网络设备（例如， LVS），也可能是负载均衡软件（例如， Nginx、 HAProxy），还可能是自己公司自行开发的系统。选择合适的任务分配器也是一件复杂的事情，需要综合考虑性能、成本、 可维护性、可用性等各方面的因素。
以上这个架构只是最简单地增加 1台业务机器，我们假设单台业务服务器每秒能够处理 5000 次业务请求，那么这个架构理论上能够支撑 10000次请求，实际上的性能一般按照8折计算，大约是8000 次左右。
如果我们的性能要求继续提高，假如要求每秒提升到 10万次，上述架构会出现什么问题呢？ 是不是将业务服务器增加到 30 台就可以了呢？显然不是，因为随着性能的增加，任务分配器本身又会成为性能瓶颈，当业务请求达到每秒 10万次的时候，单台任务分配器也不够用了，任务分配器本身也需要扩展为多台机器，这时的架构又会演变成如下图所示的样子。
这个架构比2 台业务服务器的架构要复杂：
（1）任务分配器从 1 台变成了多台（对应图中的任务分配器 1到任务分配器M），这个变化带来的复杂度就是需要将不同的用户分配到不同的任务分配器上（即图中的虚线“用户分配” 部分），常见的方法包括DNS轮询、智能DNS、CDN（内容分发网络，Content Delivery Network）、 GSLB 设备（全局负载均衡， Global Server Load Balance）等。
(2）任务分配器和业务服务器的连接从简单的“1对多”（1台任务分配器连接多台业务服务器）变成了“多对多”（多台任务分配器连接多台业务服务器）的网状结构。
(3）机器数量从3 台扩展到30 台（一般任务分配器数量比业务服务器要少，这里我们假设业务服务器为25 台，任务分配器为5 台），状态管理、故障处理复杂度也大大增加。 以上例子都是以业务处理为样例，实际上“任务”涵盖的范围很广，可以指完整的业务处理，也可以单指某个具体的任务。 例如，＂存储”“运算”“缓存”等都可以作为一项任务，因此 存储系统、运算系统、缓存系统都可以按照任务分配的方式来搭建架构。此外，“任务分配器” 也并不一定只能是物理上存在的机器或一个独立运行的程序，也可以是嵌入在其他程序中的算法，我们以Memcache 的集群架构为例来说明。
以下是对硬件网络设备（F5、交换机）、软件网络设备（ LVS）以及负载均衡软件（Nginx、HAProxy）在性能、成本、可维护性、可用性等方面的综合分析，并探讨它们适合的场景。
一、硬件网络设备（F5、交换机）
1.1 性能
- F5：F5 BIG-IP 系列通过专用硬件（如 ASIC 或 FPGA）提供高性能负载均衡，支持每秒数十万到数百万的会话处理能力，尤其在 SSL/TLS 卸载和第 7 层流量解析上有显著优势。吞吐量可达数十 Gbps。
- 交换机：第 3 层交换机（如 Cisco、Juniper）在链路聚合和流量分担中表现出色，基于硬件转发，延迟极低（微秒级），适合大规模数据中心网络。
1.2 成本
- F5：初始采购成本高（数万至数十万美元，毕竟美国货，深信服也有相应产品，价格低了不少），还需要年度维护费用和许可费用。
- 交换机：中高端交换机价格不菲（数千至数万美元），但通常用于多用途网络基础设施，负载均衡只是其功能之一，成本分摊相对合理。
1.3 可维护性
- F5：提供图形化界面（如 BIG-IP GUI）和强大的技术支持，配置复杂但文档完善。需要专业人员维护，学习曲线较陡。
- 交换机：配置相对标准化（如 CLI 或 SDN），维护依赖网络工程师，硬件故障需更换设备，停机风险较高。
1.4 可用性
- F5：支持高可用性（HA）部署，如主备或主主模式，结合健康检查和故障转移机制，可达 99.999% 可用性。
- 交换机：通过协议（如 VRRP、LACP）实现冗余，硬件可靠性高，但单点故障仍需冗余设备保障。
1.5 适合场景
- F5：适用于企业级、大规模、高并发应用（如银行、电商），需要第 7 层功能（如内容路由、WAF）或合规性要求（如 PCI DSS）的场景。
- 交换机：适合数据中心或企业网络中需要基础流量分担（如 L2/L3 负载均衡）且预算充足的场景。
二、软件网络设备（LVS）
2.1 性能
- LVS（Linux Virtual Server，国科大章文嵩博士开源）工作在第 4 层，通过内核级转发（如 IPVS）实现极高性能，吞吐量可达数 Gbps，能处理数十万并发连接，接近硬件负载均衡器（如 F5）的 60%-80%。
2.2 成本
- 开源免费，仅需通用服务器硬件，成本低（几千到几万RMB），但需要额外的管理和部署费用。
2.3 可维护性
- 配置复杂（如
ipvsadm），依赖 Linux 内核模块，需要深入的网络和系统知识。社区支持为主，缺乏官方商业支持。
2.4 可用性
- 通过 Keepalived 等工具实现高可用性，支持主备切换，但配置和管理 HA 需额外工作，可靠性依赖底层硬件。
2.5 适合场景
- 适合中大型网站或服务，需要高性能第 4 层负载均衡但预算有限的场景（如门户网站、云计算基础设施）。对技术团队能力要求较高。
三、负载均衡软件（Nginx、HAProxy）
3.1 性能
- Nginx：事件驱动架构，单线程处理数万并发连接，吞吐量可达数 Gbps，适合第 7 层负载均衡和反向代理（现在很多互联网公司都在用）。
- HAProxy：支持第 4 层和第 7 层，官方数据表明可处理 2 万请求/秒，维持 4-5 万并发连接，性能略优于 Nginx，尤其在 TCP 负载均衡中。
3.2 成本
- 两者均为开源免费，运行在通用硬件上，成本低廉。Nginx Plus 和 HAProxy Enterprise 提供商业支持，价格远低于硬件设备（几万RMB每年）。
3.3 可维护性
- Nginx：配置文件简单（
nginx.conf），社区生态丰富，易于上手，但动态配置需重载。 - HAProxy：配置较灵活（
haproxy.cfg），支持更多负载均衡算法，维护稍复杂但文档详尽。
3.4 可用性
- 通过 Keepalived 或多实例部署实现 HA，单点故障需额外配置解决，可用性依赖硬件和架构设计。
3.5 适合场景
- Nginx：适合中小型网站、Web 应用或微服务，需要 HTTP/HTTPS 负载均衡、缓存或静态内容服务的场景。
- HAProxy：适合需要灵活负载均衡策略（如会话保持、MySQL 负载均衡）的中小型应用，或作为多层架构中的第 7 层组件。
四、综合对比与场景选择
| 方案 | 性能 | 成本 | 可维护性 | 可用性 | 适合场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| F5 | 极高 | 极高 | 中等 | 极高 | 大型企业、高并发、合规性需求 |
| 交换机 | 高（L2/L3） | 高 | 中等 | 高 | 数据中心网络、基础流量分担 |
| LVS | 高（L4） | 低 | 较低 | 中高 | 中大型网站、高性能低成本需求 |
| Nginx | 中高（L7） | 低 | 高 | 中高 | 中小型 Web 应用、微服务 |
| HAProxy | 中高（L4/L7） | 低 | 中高 | 中高 | 灵活负载均衡、数据库或 TCP 应用 |
4.1 小规模场景（日 PV < 1000 万）
- 推荐：Nginx 或 HAProxy
- 原因：成本低、配置简单、性能足够，适合初创公司或中小型应用。
4.2 中等规模场景（日 PV 1000 万 - 1 亿）
- 推荐：LVS 或 HAProxy + Nginx
- 原因：LVS 提供高性能第 4 层均衡，搭配 Nginx/HAProxy 处理第 7 层需求，性价比高。
4.3 大规模场景（日 PV > 1 亿或大型企业级）
- 推荐：F5 或 LVS + HAProxy
- 原因：F5 适合需要极高性能和高级功能的场景；LVS + HAProxy 适合预算有限但流量巨大的互联网公司。
4.4 数据中心基础网络
- 推荐：交换机
- 原因：专注于低层流量分担，配合上层负载均衡设备使用。
五、总结
- 性能优先：F5 > LVS > HAProxy ≈ Nginx > 交换机（仅 L2/L3）。
- 成本优先：Nginx ≈ HAProxy > LVS > 交换机 > F5。
- 易维护性：Nginx > HAProxy > F5 ≈ 交换机 > LVS。
- 高可用性：F5 > 交换机 ≈ LVS > HAProxy ≈ Nginx。
选择时需根据业务规模、技术团队能力、预算和具体需求（如第 4 层还是第 7 层）综合权衡。小型项目从软件方案起步，中大型项目可逐步引入 LVS 或硬件设备以满足增长需求。
