负载均衡——LVS，HAProxy和Nginx对比分析

Posted 2023-05-01

参考技术A 负载均衡（Load Balance）是应用于互联网后台系统架构设计中的各层，它将请求均匀分摊到多个操作单元上执行。

目前，在线上环境中应用较多的负载均衡器硬件有F5 BIG-IP，但是硬件设备昂贵，不如软件适应互联网公司的快速发展。最常用的负载均衡软件有LVS、HAProxy和nginx，结合高可用软件有Heartbeat、Keepalived，可以搭建出承载海量请求的成熟架构如LVS+Keepalived、HAProxy+keepalived等.

三种负载均衡软件LVS、HAProxy和Nginx的优缺点说明如下：

LVS的优点：

LVS的缺点：

HAProxy的优点：

Nginx的优点：

Nginx的缺点：

简单地不负责任地说，性能上LVS>HA>Nginx，功能性和便利性上Nginx>HA>LVS。

对于一个大型后台系统来说，LVS、HAProxy和Nginx常常可以配合使用在不同的层级，LVS用在接入层的最前端，承担最大规模的流量分发；HAProxy负责按域名分流；而Nginx只需要作为Web服务器负责单机内多实例的负载均衡，或负责目录结构分流和静态资源缓存等需求。

所谓的四层与七层负载均衡，就是在对后台服务器进行负载均衡时，依据OSI四层的信息或七层的信息来决定怎么样转发流量。比如四层负载均衡通过报文中的目标IP地址和端口，七层负载均衡通过报文中的应用层信息(URL、HTTP头部等信息)，选择到达目的的内部服务器。四层负载均衡在解包上的消耗更少，可以达到更高的性能。而七层负载算法可以通过更多的应用层信息分发请求，功能性上更强大。

七层负载均衡软件可以通过URL、Cookie和HTTP head等信息，而不仅仅是IP端口分发流量，还可以修改客户端的请求和服务器的响应（例如HTTP请求中的Header的重写），极大提升了应用系统在网络层的灵活性。

在网络中常见的SYN Flood攻击中，黑客会对同一目标大量发送SYN报文，耗尽服务器上的相关资源，以达到Denial of Service(DoS)的目的。四层模式下这些SYN攻击都会被转发到后端的服务器上；而在七层模式下这些SYN攻击在负载均衡设备上就截止，不会影响后台服务器的正常运营。另外负载均衡设备可以在七层层面设定多种策略，过滤SQL Injection等应用层面的特定攻击手段，进一步提高系统整体安全。

负载均衡器对比(LVS VS Nginx VS Haproxy)

LVS：
1、抗负载能力强。抗负载能力强、性能高，能达到F5硬件的60%；对内存和cpu资源消耗比较低
2、工作在网络4层，通过vrrp协议转发（仅作分发之用），具体的流量由linux内核处理，因此没有流量的产生。
2、稳定性、可靠性好，自身有完美的热备方案；（如：LVS+Keepalived）
3、应用范围比较广，可以对所有应用做负载均衡；
4、不支持正则处理，不能做动静分离。
5、支持负载均衡算法：rr（轮循）、wrr（带权轮循）、lc（最小连接）、wlc（权重最小连接）
6、配置 复杂，对网络依赖比较大，稳定性很高。

Ngnix：
1、工作在网络的7层之上，可以针对http应用做一些分流的策略，比如针对域名、目录结构；
2、Nginx对网络的依赖比较小，理论上能ping通就就能进行负载功能；
3、Nginx安装和配置比较简单，测试起来比较方便；
4、也可以承担高的负载压力且稳定，一般能支撑超过1万次的并发；
5、对后端服务器的健康检查，只支持通过端口来检测，不支持通过url来检测。
6、Nginx对请求的异步处理可以帮助节点服务器减轻负载；
7、Nginx仅能支持http、https和Email协议，这样就在适用范围较小。
8、不支持Session的直接保持，但能通过ip_hash来解决。、对Big request header的支持不是很好，
9、支持负载均衡算法：Round-robin（轮循）、Weight-round-robin（带权轮循）、Ip-hash（Ip哈希）
10、Nginx还能做Web服务器即Cache功能。

HAProxy的特点是：
1、支持两种代理模式：TCP（四层）和HTTP（七层），支持虚拟主机；
2、能够补充Nginx的一些缺点比如Session的保持，Cookie的引导等工作
3、支持url检测后端的服务器出问题的检测会有很好的帮助。
4、更多的负载均衡策略比如：动态加权轮循(Dynamic Round Robin)，加权源地址哈希(Weighted Source Hash)，加权URL哈希和加权参数哈希(Weighted Parameter Hash)已经实现
5、单纯从效率上来讲HAProxy更会比Nginx有更出色的负载均衡速度。
6、HAProxy可以对Mysql进行负载均衡，对后端的DB节点进行检测和负载均衡。
9、支持负载均衡算法：Round-robin（轮循）、Weight-round-robin（带权轮循）、source（原地址保持）、RI（请求URL）、rdp-cookie（根据cookie）
10、不能做Web服务器即Cache。

三大主流软件负载均衡器适用业务场景：
1、网站建设初期，可以选用Nigix/HAproxy作为反向代理负载均衡（或者流量不大都可以不选用负载均衡），因为其配置简单，性能也能满足一般的业务场景。如果考虑到负载均衡器是有单点问题，可以采用Nginx+Keepalived/HAproxy+Keepalived避免负载均衡器自身的单点问题。
2、网站并发达到一定程度之后，为了提高稳定性和转发效率，可以使用LVS、毕竟LVS比Nginx/HAproxy要更稳定，转发效率也更高。不过维护LVS对维护人员的要求也会更高，投入成本也更大。

注：Niginx与Haproxy比较：Niginx支持七层、用户量最大，稳定性比较可靠。Haproxy支持四层和七层，支持更多的负载均衡算法，支持session保存等。具体选型看使用场景，目前来说Haproxy由于弥补了一些Niginx的缺点用户量也不断在提升。

衡量负载均衡器好坏的几个重要因素：
1、会话率 ：单位时间内的处理的请求数
2、会话并发能力：并发处理能力
3、数据率：处理数据能力
经过官方测试统计，haproxy 单位时间处理的最大请求数为20000个，可以同时维护40000-50000个并发连接，最大数据处理能力为10Gbps。综合上述，haproxy是性能优越的负载均衡、反向代理服务器。

总结HAProxy主要优点：
一、免费开源，稳定性也是非常好，这个可通过我做的一些小项目可以看出来，单Haproxy也跑得不错，稳定性可以与LVS相媲美；
二、根据官方文档，HAProxy可以跑满10Gbps-New benchmark of HAProxy at 10 Gbps using Myricom‘s 10GbE NICs (Myri-10G PCI-Express)，这个作为软件级负载均衡，也是比较惊人的；
三、HAProxy可以作为MySQL、邮件或其它的非web的负载均衡，我们常用于它作为MySQL(读)负载均衡；
四、自带强大的监控服务器状态的页面，实际环境中我们结合Nagios进行邮件或短信报警，这个也是我非常喜欢它的原因之一；
五、HAProxy支持虚拟主机。