负载均衡四层和七层

Posted 2023-02-14

一、概述

按照七层网络协议栈的层划分，负载均衡设备（软件）可以划分为 四层负载均衡和七层负载均衡；其中，四层是基于IP+Port，它能够对报文
按照IP进行分发；七层是基于URL地址的服务器负载均衡，它能够针对七层报文内容进行解析，并根据其中的关键字进行逐包转发。

四层负载均衡的典型代表是LVS，而七层负载均衡的典型代表则为nginx和HAproxy（其中HAproxy既可以做4层负载均衡又可以做七层负载均衡）。

所谓四层就是基于IP+端口的负载均衡；七层就是基于URL等应用层信息的负载均衡；同理，还有基于MAC地址的二层负载均衡和基于IP地址的三层负载
均衡。 换句换说，二层负载均衡会通过一个虚拟MAC地址接收请求，然后再分配到真实的MAC地址；三层负载均衡会通过一个虚拟IP地址接收请求，然
后再分配到真实的IP地址；四层通过虚拟IP+端口接收请求，然后再分配到真实的服务器；七层通过虚拟的URL或主机名接收请求，然后再分配到真实
的服务器。

所谓的四到七层负载均衡，就是在对后台的服务器进行负载均衡时，依据四层的信息或七层的信息来决定怎么样转发流量。 比如四层的负载均衡，就是
通过发布三层的IP地址（VIP），然后加四层的端口号，来决定哪些流量需要做负载均衡，对需要处理的流量进行NAT处理，转发至后台服务器，并记录
下这个TCP或者UDP的流量是由哪台服务器处理的，后续这个连接的所有流量都同样转发到同一台服务器处理。七层的负载均衡，就是在四层的基础上
（没有四层是绝对不可能有七层的），再考虑应用层的特征，比如同一个Web服务器的负载均衡，除了根据VIP加80端口辨别是否需要处理的流量，还可
根据七层的URL、浏览器类别、语言来决定是否要进行负载均衡。举个例子，如果你的Web服务器分成两组，一组是中文语言的，一组是英文语言的，那
么七层负载均衡就可以当用户来访问你的域名时，自动辨别用户语言，然后选择对应的语言服务器组进行负载均衡处理。

二、四层负载均衡

四层负载均衡是基于IP+端口的负载均衡，原理是通过转发请求到后台的服务器，它只负责转发并且会记录当前连接是由哪个服务器处理的，
后续这个连接的请求就由同一台服务器去处理，其实就是相当于长连接，这个长连接一旦打开就会一直处理连接的状态，它的性能就会非常
的高了，四层是基于传输层的，主要基于tcp和udp。

F5硬负载均衡：商业级别，很贵
LVS四层负载均衡：它是Linux内核的负载，和协议没什么关系，主要是负责转发一些 请求的，它是基于CS端的
HA proxy四层负载均衡：同样支持转发功能，并且灵活性非常高，除了做四层以外也能够做七层的负载均衡
Nginx 四层负载均衡：既可以做负载均衡也可以做七层负载均衡，可以用于实现四层协议的转发、代理等等

首先以常见的LVS DR模式来说明四层负载均衡的工作流程：

如上图所示，LVS DR 四层负载均衡工作流程为：
    1. 客户端向负载均衡设备发出请求，源地址为客户端IP地址，目的地址为整个集群的VIP地址；
    2. 交换机转发客户端请求；
    3. LVS负载均衡器利用自带的算法（云眸为wrr）进行算法调度，将请求转发到后端的某一台真实Web服务器；
    4. 此时请求报文的源地址仍然为客户端的IP地址，目的地址为集群Vip地址，但是MAC地址已经被LVS负载均衡服务器更改为后端真实服
    务器的MAC地址；
    5. 后端真实Web服务器发出响应，源地址为集群Vip地址，目的地址为客户端IP地址，不通过LVS负载均衡服务器（报文仍然要通过交换
    机）直接与客户端发生联系并回应客户端最初发出的HTTP请求。

三、七层负载均衡

是基于URL或IP的负载均衡，是基于应用层的，是针对http协议的一个负载均衡。
nginx七层负载均衡 对http协议或者邮箱协议做负载均衡，性能强劲
Haproxy 七层负载均衡 灵活性很高
apache七层负载均衡协议 灵活性不高，并发达到百万级的话性能会非常地差

再以常用的Nginx来举例说明七层负载均衡器的工作流程：

如上图所示。七层负载均衡的工作流程如下：
    1. 客户端向Nginx发出请求，源地址为客户端ip地址，目的地址为集群VIP地址；
    2. 交换机转发请求；
    3. Nginx利用自身算法（如 rr wrr ip_hash）进行调度；
    4. 建立TCP连接，将客户端的请求发送到后端真实web服务器，此时源地址为客户端ip，目的地址为真实web服务的ip地址；
    5. Nginx向后端真实web服务器发出请求；
    6. 后端真实web服务器发出响应，此时源地址为后端真实服务器IP地址，目的地址为客户端IP地址；
    7. 报文经过Nginx时，源地址被还原为集群VIP地址，目的地址仍然为客户端IP地址。

四、总结

四层做负载一般会使用LVS，Nginx更适合做七层负载。
四层负载均衡主要适用于处理基于tcp、udp协议，重点是用于转发请求，并不是处理请求；
七层一般用于处理http协议的，适用于web服务器；七层是会处理请求的，比如它可以去处理静态资源的一些内容，可以进行压缩或者缓存。

四层负载均衡的优势在于面对大流量冲击的时候，报文只是单方面经过负载均衡器，负载均衡服务器的负担相对很小，不易成为网站或者系
 统的瓶颈；
七层负载均衡在分流过程中能够对应用层协议进行深度识别，带来了更精细化均衡的可能；再加上http协议应用广泛，所以七层负载均衡的商
用能力更强；而四层负载均衡因无法对七层业务实现内容转发，所以当前主流业务均采用 LVS+Nginx的方式进行负载均衡，从而充分利用两
种的优势！