四层负载均衡技术

Posted 2023-04-05

参考技术A

通常使用的nginx负载均衡技术， 在网络分层中处于应用层（第七层），nginx与客户端建立连接（握手），然后再根据请求信息以及本地配置信息，将请求灵活的分发到不同的服务上。nginx这类7层负载均衡的优缺点都很明显。

除了nginx这种7层负载均衡策略，还有基于传输层（4层）的负载均衡策略。通过分析请求的 IP地址以及端口号 进行请求的负载均衡。根据请求处理模式的不同，4层负载均衡 算法 可以分为： NAT , DR 以及 TUN隧道技术 等。4层负载均衡的实现方式有： LVS 。

NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术，在专用内部网络中，分配一台实现了NAT技术的路由或服务Load Balance Service。这台负载均衡服务器分配了公网IP(VIP, Virtual IP)，所有客户端请求服务都请求此IP。LB通过不同的算法，将请求数据包的源IP以及目标IP修改，转发到真实服务器（Real Service）上进行业务处理。其具体的步骤可以分为：

可以看到通过NAT模式进行负载均衡，所有的请求以及响应都要通过LB服务器，当访问量较大时，LB服务器会成为瓶颈 。

DR(Direct Routing, 直接路由模式)，LB通过修改请求数据包的目标MAC地址，并且在Real Service服务配置只有 自己可见的lo:VIP ，实现数据包的接收（自己没有VIP的话，服务并不会接收数据包）。整个转发的流程为：

TUN思想跟DR类似，在Real Service上配置一个内部可见的lo:VIP地址，LB通过封装或修改数据包信息实现请求的转发。不同于DR模式LB修改MAC地址，为了 实现不同网段 的Real Service负载，TUN模式通过在原有的数据包外 封装一层IP Tunnel ，实现数据的转发。由于封装完 IP Tunnel 后数据包和正常的数据包结构不同，所以Real Service的 OS需要支持Tunnel功能 。TUN转发的具体流程为：

LB虽然没有完全解析数据包无法得知请求信息，但是可以通过监听请求头信息（例如，SYN、FIN等）判断客户端与Real Service之间的连接情况。LB通过监听请求信息，维护了各个Real Service的连接信息表。通过这些信息实现不同的调度算法进行负载均衡。

LB将请求依次转发至不同的Real Service

给Real Service分配不同的权值，LB根据RS的权值的高低转发请求

根据请求的目标地址（资源，例如同一URL）进行Hash，转发至RS上

对客户端的域名或者IP进行Hash，转发至RS上

LB将请求转发至连接最少的RS上

LB通过加权轮询以及RS的连接情况来转发请求

LB维护 目标IP到一台RS 的映射表（目标IP最近使用的RS），通过映射表将请求转发至RS，若RS不存在或者超载，通过 最少连接 策略选出一台新的RS进行转发

LB维护 目标IP到一组RS 的映射表（目标IP最近使用的RS），通过 最少连接 策略从服务器组选择一个RS进行转发，若RS不存在或者超载，通过 最少连接 策略选出一台新的RS进行转发，并将此RS加入映射组中。

负载均衡-四层负载-七层负载

负载均衡

：是一种服务或基于硬件设备等实现的高可用反向代理技术，负载均衡将特定的业务(web服务、网络流量等)分担给指定的一个或多个后端特
定的服务器或设备，从而提高了公司业务的并发处理能力、保证了业务的高可用性、方便了业务后期的水平动态扩展。

（一）HTTP重定向实现负载均衡

过程描述：
当用户向服务器发起请求时，请求首先被集群调度者截获；调度者根据某种分配策略，选择一台服务器，并将选中的服务器的IP地址封装在HTTP响应消息头部的Location字段中，并将响应消息的状态码设为302，最后将这个响应消息返回给浏览器。
当浏览器收到响应消息后，解析Location字段，并向该URL发起请求，然后指定的服务器处理该用户的请求，最后将结果返回给用户。
在使用HTTP重定向来实现服务器集群负载均衡的过程中，需要一台服务器作为请求调度者。用户的一项操作需要发起两次HTTP请求，一次向调度服务器发送请求，获取后端服务器的IP，第二次向后端服务器发送请求，获取处理结果。
调度策略： 调度服务器收到用户的请求后，究竟选择哪台后端服务器处理请求，这由调度服务器所使用的调度策略决定。
1、随机分配策略 ：当调度服务器收到用户请求后，可以随机决定使用哪台后端服务器，然后将该服务器的IP封装在HTTP响应消息的Location属性中，返回给浏览器即可。
2、轮询策略(RR)：调度服务器需要维护一个值，用于记录上次分配的后端服务器的IP。那么当新的请求到来时，调度者将请求依次分配给下一台服务器。
由于轮询策略需要调度者维护一个值用于记录上次分配的服务器IP，因此需要额外的开销；此外，由于这个值属于互斥资源，那么当多个请求同时到来时，为了避免线程的安全问题，因此需要锁定互斥资源，从而降低了性能。而随机分配策略不需要维护额外的值，也就不存在线程安全问题，因此性能比轮询要高。

优缺点分析：

采用HTTP重定向来实现服务器集群的负载均衡实现起来较为容易，逻辑比较简单，但缺点也较为明显。
在HTTP重定向方法中，调度服务器只在客户端第一次向网站发起请求的时候起作用。当调度服务器向浏览器返回响应信息后，客户端此后的操作都基于新的URL进行的(也就是后端服务器)，此后浏览器就不会与调度服务器产生关系，进而会产生如下几个问题：
1、由于不同用户的访问时间、访问页面深度有所不同，从而每个用户对各自的后端服务器所造成的压力也不同。而调度服务器在调度时，无法知道当前用户将会对服务器造成多大的压力，因此这种方式无法实现真正意义上的负载均衡，只不过是把请求次数平均分配给每台服务器罢了。
2、若分配给该用户的后端服务器出现故障，并且如果页面被浏览器缓存，那么当用户再次访问网站时，请求都会发给出现故障的服务器，从而导致访问失败。

（二）DNS负载均衡

DNS是什么：我们知道，数据包采用IP地址在网络中传播，而为了方便用户记忆，我们使用域名来访问网站。那么，我们通过域名访问网站之前，首先需要将域名解析成IP地址，这个工作是由DNS完成的。也就是域名服务器。
我们提交的请求不会直接发送给想要访问的网站，而是首先发给域名服务器，它会帮我们把域名解析成IP地址并返回给我们。我们收到IP之后才会向该IP发起请求。
那么，DNS服务器有一个天然的优势，如果一个域名指向了多个IP地址，那么每次进行域名解析时，DNS只要选一个IP返回给用户，就能够实现服务器集群的负载均衡。
具体做法：首先需要将我们的域名指向多个后端服务器(将一个域名解析到多个IP上)，再设置一下调度策略，那么我们的准备工作就完成了，接下来的负载均衡就完全由DNS服务器来实现。
当用户向我们的域名发起请求时，DNS服务器会自动地根据我们事先设定好的调度策略选一个合适的IP返回给用户，用户再向该IP发起请求。

优缺点分析：

DNS负载均衡最大的优点就是配置简单。服务器集群的调度工作完全由DNS服务器承担，那么我们就可以把精力放在后端服务器上，保证他们的稳定性与吞吐量。而且完全不用担心DNS服务器的性能，即便是使用了轮询策略，它的吞吐率依然卓越。
此外，DNS负载均衡具有较强了扩展性，你完全可以为一个域名解析较多的IP，而且不用担心性能问题。
但是，由于把集群调度权交给了DNS服务器，从而我们没办法随心所欲地控制调度者，没办法定制调度策略。
DNS服务器也没办法了解每台服务器的负载情况，因此没办法实现真正意义上的负载均衡。它和HTTP重定向一样，只不过把所有请求平均分配给后端服务器罢了。
此外，当我们发现某一台后端服务器发生故障时，即使我们立即将该服务器从域名解析中去除，但由于DNS服务器会有缓存，该IP仍然会在DNS中保留一段时间，那么就会导致一部分用户无法正常访问网站。这是一个致命的问题！好在这个问题可以用动态DNS来解决。

（三）反向代理负载均衡

反向代理服务器是一个位于实际服务器之前的服务器，所有向我们网站发来的请求都首先要经过反向代理服务器，服务器根据用户的请求要么直接将结果返回给用户，要么将请求交给后端服务器处理，再返回给用户。
之前我们介绍了用反向代理服务器实现静态页面和常用的动态页面的缓存。接下来我们介绍反向代理服务器更常用的功能——实现负载均衡。
我们知道，所有发送给我们网站的请求都首先经过反向代理服务器。那么，反向代理服务器就可以充当服务器集群的调度者，它可以根据当前后端服务器的负载情况，将请求转发给一台合适的服务器，并将处理结果返回给用户。

优点：

1、隐藏后端服务器：与HTTP重定向相比，反向代理能够隐藏后端服务器，所有浏览器都不会与后端服务器直接交互，从而能够确保调度者的控制权，提升集群的整体性能。
2、故障转移 ：与DNS负载均衡相比，反向代理能够更快速地移除故障结点。当监控程序发现某一后端服务器出现故障时，能够及时通知反向代理服务器，并立即将其删除。
3、合理分配任务 ：HTTP重定向和DNS负载均衡都无法实现真正意义上的负载均衡，也就是调度服务器无法根据后端服务器的实际负载情况分配任务。但反向代理服务器支持手动设定每台后端服务器的权重。我们可以根据服务器的配置设置不同的权重，权重的不同会导致被调度者选中的概率的不同。

缺点：

一、调度者压力过大 ：由于所有的请求都先由反向代理服务器处理，那么当请求量超过调度服务器的最大负载时，调度服务器的吞吐率降低会直接降低集群的整体性能。
二、制约扩展 ：当后端服务器也无法满足巨大的吞吐量时，就需要增加后端服务器的数量，可没办法无限量地增加，因为会受到调度服务器的最大吞吐量的制约。

粘滞会话：

反向代理服务器会引起一个问题。若某台后端服务器处理了用户的请求，并保存了该用户的session或存储了缓存，那么当该用户再次发送请求时，无法保证该请求仍然由保存了其Session或缓存的服务器处理，若由其他服务器处理，先前的Session或缓存就找不到了。
解决办法1： 可以修改反向代理服务器的任务分配策略，以用户IP作为标识较为合适。相同的用户IP会交由同一台后端服务器处理，从而就避免了粘滞会话的问题。
解决办法2： 可以在Cookie中标注请求的服务器ID，当再次提交请求时，调度者将该请求分配给Cookie中标注的服务器处理即可。

负载均衡组件：

one、apache：它是Apache软件基金会的一个开放源代码的跨平台的网页服务器，属于老牌的web服务器了，支持基于Ip或者域名的虚拟主机，支持代理服务器，支持安全Socket层(SSL)等等，目前互联网主要使用它做静态资源服务器，也可以做代理服务器转发请求(如：图片链等)，结合tomcat等servlet容器处理jsp。
two、ngnix：高性能的 HTTP和反向代理服务器。由于Nginx 超越 Apache 的高性能和稳定性，使得国内使用 Nginx 作为 Web 服务器的网站也越来越多，其中包括新浪博客、新浪播客、网易新闻、腾讯网、搜狐博客等门户网站频道等，在3w以上的高并发环境下，ngnix处理能力相当于apache的10倍。
three、HAProxy：HAProxy提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP应用的代理，支持虚拟主机，它是免费、快速并且可靠的一种解决方案。HAProxy特别适用于那些负载特大的web站点， 这些站点通常又需要会话保持或七层处理。HAProxy运行在当前的硬件上，完全可以支持数以万计的并发连接。并且它的运行模式使得它可以很简单安全的整合进您当前的架构中， 同时可以保护你的web服务器不被暴露到网络上.
four、keepalived： 这里说的keepalived不是apache或者tomcat等某个组件上的属性字段，它也是一个组件，可以实现web服务器的高可用(HA high availably)。它可以检测web服务器的工作状态，如果该服务器出现故障被检测到，将其剔除服务器群中，直至正常工作后，keepalive会自动检测到并加入到服务器群里面。实现主备服务器发生故障时ip瞬时无缝交接。它是LVS集群节点健康检测的一个用户空间守护进程，也是LVS的引导故障转移模块（director failover）。Keepalived守护进程可以检查LVS池的状态。如果LVS服务器池当中的某一个服务器宕机了。keepalived会通过一 个setsockopt呼叫通知内核将这个节点从LVS拓扑图中移除。
five、memcached：它是一个高性能分布式内存对象缓存系统。当初是Danga Interactive为了LiveJournal快速发展开发的系统，用于对业务查询数据缓存，减轻数据库的负载。其守护进程(daemon)是用C写的，但是客户端支持几乎所有语言(客户端基本上有3种版本[memcache client for java;spymemcached;xMecache])，服务端和客户端通过简单的协议通信；在memcached里面缓存的数据必须序列化。

四层负载均衡：仅仅建立一次TCP连接。七层负载均衡：负载均衡器与客户端及后端的服务器会分别建立一个TCP连接。即两次TCP连接。

一、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。
二、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。
三、负载均衡器通常称为四层交换机或七层交换机。四层交换机主要分析IP层及TCP/UDP层，实现四层流量负载均衡。七层交换机除了支持四层负载均衡以外，还有分析应用层的信息，如HTTP协议URI或Cookie信息。
1、负载均衡分为L4 switch（四层交换），即在OSI第4层工作，就是TCP层。此Load Balance不理解应用协议（如HTTP/FTP/MySQL等等）。例子：LVS，F5。
2、另一种叫做L7 switch（七层交换），OSI的最高层，应用层。此时，该Load Balance能理解应用协议。例子： haproxy、MySQL、 Proxy。

负载均衡设备也常被称为"四到七层交换机"，那么四层和七层两者到底区别在哪里？

####### 一、技术原理上的区别。
所谓四层负载均衡，也就是主要通过报文中的目标地址和端口，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。
以常见的TCP为例，负载均衡设备在接收到第一个来自客户端的SYN 请求时，即通过上述方式选择一个最佳的服务器，并对报文中目标IP地址进行修改(改为后端服务器IP），直接转发给该服务器。TCP的连接建立，即三次握手是客户端和服务器直接建立的，负载均衡设备只是起到一个类似路由器的转发动作。在某些部署情况下，为保证服务器回包可以正确返回给负载均衡设备，在转发报文的同时可能还会对报文原来的源地址进行修改。

所谓七层负载均衡，也称为“内容交换”，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。
以常见的TCP为例，负载均衡设备如果要根据真正的应用层内容再选择服务器，只能先代理最终的服务器和客户端建立连接(三次握手)后，才可能接受到客户端发送的真正应用层内容的报文，然后再根据该报文中的特定字段，再加上负载均衡设备设置的服务器选择方式，决定最终选择的内部服务器。负载均衡设备在这种情况下，更类似于一个代理服务器。负载均衡和前端的客户端以及后端的服务器会分别建立TCP连接。所以从这个技术原理上来看，七层负载均衡明显的对负载均衡设备的要求更高，处理七层的能力也必然会低于四层模式的部署方式。
####### 二、应用场景的需求：
七层应用负载的好处，是使得整个网络更"智能化"。例如访问一个网站的用户流量，可以通过七层的方式，将对图片类的请求转发到特定的图片服务器并可以使用缓存技术；将对文字类的请求可以转发到特定的文字服务器并可以使用压缩技术。当然这只是七层应用的一个小案例，从技术原理上，这种方式可以对客户端的请求和服务器的响应进行任意意义上的修改，极大的提升了应用系统在网络层的灵活性。很多在后台，例如Nginx或者Apache上部署的功能可以前移到负载均衡设备上，例如客户请求中的Header重写，服务器响应中的关键字过滤或者内容插入等功能。
另外一个常常被提到功能就是安全性。网络中最常见的SYN Flood***，即***控制众多源客户端，使用虚假IP地址对同一目标发送SYN***，通常这种***会大量发送SYN报文，耗尽服务器上的相关资源，以达到Denial of Service(DoS)的目的。从技术原理上也可以看出，四层模式下这些SYN***都会被转发到后端的服务器上；而七层模式下这些SYN***自然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，过滤特定报文，例如SQL Injection等应用层面的特定***手段，从应用层面进一步提高系统整体安全。
现在的7层负载均衡，主要还是着重于应用HTTP协议，所以其应用范围主要是众多的网站或者内部信息平台等基于B/S开发的系统。 4层负载均衡则对应其他TCP应用，例如基于C/S开发的ERP等系统。
####### 七层应用需要考虑的问题。
一、是否真的必要，七层应用的确可以提高流量智能化，同时必不可免的带来设备配置复杂，负载均衡压力增高以及故障排查上的复杂性等问题。在设计系统时需要考虑四层七层同时应用的混杂情况。
二、是否真的可以提高安全性。例如SYN Flood***，七层模式的确将这些流量从服务器屏蔽，但负载均衡设备本身要有强大的抗DDoS能力，否则即使服务器正常而作为中枢调度的负载均衡设备故障也会导致整个应用的崩溃。
三、是否有足够的灵活度。七层应用的优势是可以让整个应用的流量智能化，但是负载均衡设备需要提供完善的七层功能，满足客户根据不同情况的基于应用的调度。最简单的一个考核就是能否取代后台Nginx或者Apache等服务器上的调度功能。能够提供一个七层应用开发接口的负载均衡设备，可以让客户根据需求任意设定功能，才真正有可能提供强大的灵活性和智能性。
负载均衡（Load Balance）建立在现有网络结构之上，它提供了一种廉价有效透明的方法扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。
负载均衡有两方面的含义：首先，大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理，减少用户等待响应的时间；其次，单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理，每个节点设备处理结束后，将结果汇总，返回给用户，系统处理能力得到大幅度提高。
负载均衡策略的优劣及其实现的难易程度有两个关键因素：一、负载均衡算法，二、对网络系统状况的检测方式和能力。
考虑到服务请求的不同类型、服务器的不同处理能力以及随机选择造成的负载分配不均匀等问题，为了更加合理的把负载分配给内部的多个服务器，就需要应用相应的能够正确反映各个服务器处理能力及网络状态的负载均衡算法：
A、轮循均衡（Round Robin）：每一次来自网络的请求轮流分配给内部中的服务器，从1至N然后重新开始。此种均衡算法适合于服务器组中的所有服务器都有相同的软硬件配置并且平均服务请求相对均衡的情况。
B、权重轮循均衡（Weighted Round Robin）：根据服务器的不同处理能力，给每个服务器分配不同的权值，使其能够接受相应权值数的服务请求。例如：服务器A的权值被设计成1，B的权值是 3，C的权值是6，则服务器A、B、C将分别接受到10%、30％、60％的服务请求。此种均衡算法能确保高性能的服务器得到更多的使用率，避免低性能的服务器负载过重。
C、随机均衡（Random）：把来自网络的请求随机分配给内部中的多个服务器。
D、权重随机均衡（Weighted Random）：此种均衡算法类似于权重轮循算法，不过在处理请求分担时是个随机选择的过程。
E、响应速度均衡（Response Time）：负载均衡设备对内部各服务器发出一个探测请求（例如Ping），然后根据内部中各服务器对探测请求的最快响应时间来决定哪一台服务器来响应客户端的服务请求。此种均衡算法能较好的反映服务器的当前运行状态，但这最快响应时间仅仅指的是负载均衡设备与服务器间的最快响应时间，而不是客户端与服务器间的最快响应时间。