揭開流量的神秘面紗：深入淺出談負載平衡 (Load Balancer)

發表於 2025-07-27 分類於技術筆記

本篇文章要介紹在現代網路應用架構中，幾乎無所不在卻又常被視為理所當然的幕後英雄——負載平衡器 (Load Balancer)。

是否曾經想過，像 Google、Facebook 或是任何一個熱門的電商網站，它們每天要處理數以億計的請求，是怎麼做到既快速又穩定，幾乎從不掉線的？答案的核心，就在於今天的主角：負載平衡。

想像一下，在一家生意超好的超市，如果只開一個收銀台，那隊伍肯定會排到天荒地老，顧客怨聲載道，收銀員也累到崩潰。最聰明的解決辦法是什麼？沒錯，就是多開幾個收銀台，並安排一位導引員，將顧客平均分配到不同的收銀台。

在這個比喻中，顧客就是網路請求 (Traffic)，收銀台就是伺服器 (Server)，而那位聰明的導引員，就是負載平衡器！

什麼是負載平衡器 (Load Balancer)？

負載平衡器，顧名思義，它的核心工作就是「平衡負載」。它是一個專門用來將收到的網路流量、應用程式請求，聰明地分配到後端多個伺服器上的設備或軟體。它就像一個交通警察，站在一個繁忙的十字路口，指揮來往的車輛（流量）走向不同的道路（伺服器），確保沒有任何一條路被塞爆。

用一張圖來視覺化這個流程：

graph TD
    subgraph "使用者端"
        U1[使用者 A]
        U2[使用者 B]
        U3[使用者 C]
    end
 
    subgraph "服務端架構"
        LB{Load Balancer}
        S1[後端伺服器 1]
        S2[後端伺服器 2]
        S3[後端伺服器 3]
    end
 
    U1 --> LB
    U2 --> LB
    U3 --> LB
 
    LB --> S1
    LB --> S2
    LB --> S3
 
    style LB fill:#22a,stroke:#fff,stroke-width:2px,color:#fff

上圖顯示，所有使用者的請求都先到達負載平衡器，再由它智慧地分發到後端的不同伺服器。

為什麼需要負載平衡？三大核心理由

只用一台超級強大的伺服器不行嗎？或許在應用程式的初期可以，但隨著使用者成長，會很快發現，負載平衡帶來的好處是單一伺服器無法比擬的。

1. 提高可用性與可靠性 (High Availability & Reliability)

這是最重要的理由。如果網站只有一台伺服器，那它就是一個單點故障 (Single Point of Failure)。只要這台伺服器當機、需要維護更新，或是網路斷線，整個服務就停擺了。

有了負載平衡器，情況就完全不同。它會定期對後端的伺服器進行健康檢查 (Health Check)。一旦發現某台伺服器沒有回應（可能掛了或正在維護），它就會自動停止將流量導向那台「不健康」的伺服器，並將所有流量轉移到其他健康的伺服器上。這意味著，即使部分伺服器失效，服務依然能夠持續運作，大大提升了穩定性。

比喻： 一個收銀台的收銀機壞了，導引員會立刻請後面的顧客改排其他正常的收銀台。超市依然正常營業

2. 提升效能與擴展性 (Improved Performance & Scalability)

當流量暴增時，單一伺服器的處理能力（CPU、記憶體）終有極限。與其不斷花大錢升級單一伺服器的硬體（垂直擴展，Vertical Scaling），更有效率且彈性的做法是增加更多伺服器來分擔工作（水平擴展，Horizontal Scaling）。

負載平衡器讓水平擴展變得輕而易舉。當覺得效能不足時，只要新增幾台伺服器到後端群組中，負載平衡器就會自動將它們納入流量分配的行列，瞬間提升整個系統的處理能力。

3. 簡化維護與部署 (Simplified Maintenance & Deployment)

需要更新網站版本或進行伺服器維護？有了負載平衡器，可以做到零停機時間部署 (Zero-Downtime Deployment)。

可以先將一台伺服器從負載平衡器的群組中移出，對它進行更新和測試。完成後，再把它加回群組。接著，對下一台伺服器重複同樣的步驟，直到所有伺服器都更新完畢。在這整個過程中，總有健康的伺服器在線上提供服務，使用者完全感受不到任何中斷。

生產環境中如何使用負載平衡？

在真實世界中，負載平衡有許多不同的實現方式。

軟體 vs. 硬體負載平衡器

硬體負載平衡器：例如 F5、Citrix 等廠商提供的實體設備。它們效能極高，功能強大，但價格昂貴，通常是大型企業或金融機構的首選。
軟體負載平衡器：這是目前最主流的方式。可以將 Nginx、HAProxy 或 Envoy 這類軟體安裝在伺服器上，將其設定為負載平衡器。它們極具彈性、成本低廉且效能優異，是絕大多數網路公司的選擇。

雲端服務供應商的解決方案

如果使用 AWS、Google Cloud Platform (GCP) 或 Microsoft Azure，那麼不必自己架設，這些雲端平台都提供了非常強大且易於管理的負載平衡服務：

AWS: Elastic Load Balancing (ELB)，包含 Application Load Balancer (ALB) 和 Network Load Balancer (NLB)。
GCP: Cloud Load Balancing。
Azure: Azure Load Balancer。

使用雲端方案的好處是，只需要在控制台點幾下滑鼠，設定好規則，它們就會自動幫你處理擴展、健康檢查和高可用性的所有細節。

常見的負載平衡演算法

負載平衡器是如何決定將請求送給哪台伺服器的呢？這取決於它所使用的演算法。以下是幾種最常見的：

Round Robin (輪詢)：最簡單的演算法。像發牌一樣，把請求依序分配給每一台伺服器（A -> B -> C -> A -> B …）。它假設所有伺服器的處理能力都相同。
Least Connections (最少連接)：更聰明一點。它會將新請求送給當前活動連接數最少的伺服器。這對於處理時間長短不一的請求非常有效。
IP Hash (IP 雜湊)：它會根據請求來源的 IP 位址進行雜湊計算，確保來自同一個使用者的請求，在一段時間內都會被送到同一台伺服器。這對於需要維持會話狀態 (Session Persistence) 的應用程式（例如購物車）非常重要。

Nginx 設定範例

讓我們看一個用 Nginx 實現最簡單的 Round Robin 負載平衡的設定檔：

# 定義一個後端伺服器群組，取名為 'backend_servers'
upstream backend_servers {
    server 192.168.1.101; # 伺服器 A
    server 192.168.1.102; # 伺服器 B
    server 192.168.1.103; # 伺服器 C
}

server {
    listen 80;
    server_name your_domain.com;

    location / {
        # 將所有進來的請求轉發到我們定義的伺服器群組
        proxy_pass http://backend_servers;
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
    }
}

透過這段設定，Nginx 就會自動將 your_domain.com 的流量以輪詢的方式，公平地分配給三台後端伺服器了。

總結

負載平衡器不僅僅是流量的分配者，更是現代應用程式架構中確保高可用性、高擴展性與高可靠性的基石。從單一伺服器邁向伺服器叢集，它是必須跨出的第一步，也是最關鍵的一步。

希望這篇文章能幫助你對負載平衡有一個更清晰、更全面的認識。它在幕後默默工作，正是因為有它，我們才能享受到今天如此穩定流暢的網路世界。