负载均衡总结（四层负载与七层负载的区别）

Posted 2021-01-31 dhcn

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1. 什么是负载均衡

负载均衡 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。

2. 负载均衡分类

负载均衡根据所采用的设备对象（软/硬件负载均衡），应用的OSI网络层次（网络层次上的负载均衡），及应用的地理结构（本地/全局负载均衡）等来分类。本文着重介绍的是根据应用的 OSI 网络层次来分类的两个负载均衡类型。

我们先来看一张图，相信很多同学对这张图都不陌生，这是一张网络模型图，包含了 OSI 模型及 TCP/IP 模型，两个模型虽然有一点点区别，但主要的目的是一样的，模型图描述了通信是怎么进行的。它解决了实现有效通信所需要的所有过程，并将这些过程划分为逻辑上的层。层可以简单地理解成数据通信需要的步骤。

 

OSI_TCP/IP

根据负载均衡所作用在 OSI 模型的位置不同，负载均衡可以大概分为以下几类：

• 二层负载均衡（mac）

  根据OSI模型分的二层负载，一般是用虚拟mac地址方式，外部对虚拟MAC地址请求，负载均衡接收后分配后端实际的MAC地址响应。

• 三层负载均衡（ip）

  一般采用虚拟IP地址方式，外部对虚拟的ip地址请求，负载均衡接收后分配后端实际的IP地址响应。

• 四层负载均衡（tcp）

  在三层负载均衡的基础上，用ip+port接收请求，再转发到对应的机器。

• 七层负载均衡（http）

  根据虚拟的url或IP，主机名接收请求，再转向相应的处理服务器。

在实际应用中，比较常见的就是四层负载及七层负载。这里也重点说下这两种负载。

3. 四层负载均衡（基于IP+端口的负载均衡）

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。

layer4

1. 在三层负载均衡的基础上，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。

2. 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。

3. 对应的负载均衡器称为四层交换机（L4 switch），主要分析IP层及TCP/UDP层，实现四层负载均衡。此种负载均衡器不理解应用协议（如HTTP/FTP/mysql等等）
   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。

4. 实现四层负载均衡的软件有：

   • F5：硬件负载均衡器，功能很好，但是成本很高。
   • lvs：重量级的四层负载软件
   • nginx：轻量级的四层负载软件，带缓存功能，正则表达式较灵活
   • haproxy：模拟四层转发，较灵活

4. 七层的负载均衡（基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡)

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。

layer7

1. 在四层负载均衡的基础上（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。

2. 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。

3. 对应的负载均衡器称为七层交换机（L7 switch），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，实现七层负载均衡。此种负载均衡器能理解应用协议。

4. 实现七层负载均衡的软件有：

   • haproxy：天生负载均衡技能，全面支持七层代理，会话保持，标记，路径转移；
   • nginx：只在http协议和mail协议上功能比较好，性能与haproxy差不多；
   • apache：功能较差
   • Mysql proxy：功能尚可。

5. 两者之间的区别

举个例子形象的说明：四层负载均衡就像银行的自助排号机，每一个达到银行的客户根据排号机的顺序，选择对应的窗口接受服务；而七层负载均衡像银行大堂经理，先确认客户需要办理的业务，再安排排号。这样办理理财、存取款等业务的客户，会根据银行内部资源得到统一协调处理，加快客户业务办理流程。

|          | 四层负载均衡（layer 4） | 七层负载均衡（layer 7）                          |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 基于     | 基于IP+Port的           | 基于虚拟的URL或主机IP等。                        |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 类似于   | 路由器                  | 代理服务器                                       |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 握手次数 | 1 次                    | 2 次                                             |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 复杂度   | 低                      | 高                                               |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 性能     | 高；无需解析内容        | 中；需要算法识别 URL，Cookie 和 HTTP head 等信息 |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 安全性   | 低，无法识别 DDoS等攻击 | 高， 可以防御SYN cookie以SYN flood等             |
+----------+-------------------------+--------------------------------------------------+
| 额外功能 | 无                      | 会话保持，图片压缩，防盗链等                     |

总结：从上面的对比看来四层负载与七层负载最大的区别就是效率与功能的区别。四层负载架构设计比较简单，无需解析具体的消息内容，在网络吞吐量及处理能力上会相对比较高，而七层负载均衡的优势则体现在功能多，控制灵活强大。在具体业务架构设计时，使用七层负载或者四层负载还得根据具体的情况综合考虑。

作者：二彬小青年
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