运维 | 四层和七层负载均衡介绍

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负载均衡

负载均衡介绍

概念

1. 负载均衡是建立在现有的网络结构之上，提供一种廉价且透明的方式进行网络设备和服务器带宽的扩展，从而增加吞吐量，加强应用服务的数据处理能力，有效提高网络的灵活性和可用性。
2. 负载均衡重点在于“均”，由原来的单个节点承接流量，变成多个节点分担流量，减少请求响应时间，提高应用程序的可用性和可伸缩性。

分类

根据采用的设备对象区分

1. 软件负载均衡
2. 硬件负载均衡

根据OSI模型的位置区分

二层负载均衡（mac地址）

数据链路层，使用虚拟mac地址方式，外部请求流量经过虚拟mac地址，负载均衡收到流量请求后分配后端实际的mac地址进行响应。

三层负载均衡（ip地址）

网络层，使用虚拟ip地址方式，外部请求流量经过虚拟ip地址，负载均衡收到流量请求后分配后端实际的ip地址进行响应。

四层负载均衡（tcp）

传输层，使用ip+port接收外部流量请求，转发到对应的机器上。

七层负载均衡（http）

应用层，使用虚拟的url或ip地址接收外部流量请求，转发到对应的处理服务器。

协议分层

常用分层

OSI模型分层

1. 应用层：对软件提供接口以使程序能使用网络服务，如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。（HTTP、Telnet、FTP、SMTP）
2. 表示层：程序和网络之间的翻译官，管理数据的解密加密数据转换、格式化和文本压缩。（JPEG、ASCII、GIF、DES、MPEG）
3. 会话层：负责在网络中的两节点之间建立和维持通信，以及提供交互会话的管理功能。（RPC、SQL、NFS）
4. 传输层：提供建立、维护和拆除传送连接的功能；选择网络层提供最合适的服务；在系统之间提供可靠的透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。（TCP、UDP、SPX）
5. 网络层：将网络地址（ip地址）翻译成对应物理地址（网卡地址），并决定如何将数据从发送方路由到接收方。（IP、ICMP、IGMP、IPX、ARP、RARP）
6. 数据链路层：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发。（IEEE 802.3/.2、HDLC、PPP、ATM）
7. 物理层：物理连网媒介，如电缆连线连接器。（RS232、V.35、RJ-45、FDDI）

四层负载均衡

介绍

1. 四层负载均衡是基于ip+port的负载均衡。
2. 四层是基于三层负载均衡，发布三层的ip地址（虚拟ip），再加上四层的端口号，从而决定哪些流量需要做负载均衡。
3. 四层负载均衡器也称为四层交换机，分析IP层及TCP/UDP层，但是无法解析应用层协议。

原理

1. 通过ip+port决定负载均衡的去向。
2. 对流量请求进行NAT处理，转发至后台服务器。
3. 记录tcp、udp流量分别是由哪台服务器处理，后续该请求连接的流量都通过该服务器处理。

示例

1. 外部发送tcp请求进入负载均衡设备。
2. 负载均衡设备接收到第一个来自客户端的SYN请求，选择后台服务器，将报文中的目标IP地址进行修改（修改为转发后的后台服务器），转发到该服务器。
3. tcp三次握手进行客户端和服务器的连接。

产品

1. F5：硬件负载均衡器，成本较高。
2. Nginx：轻量级四层负载均衡器，可缓存。（nginx四层是通过upstream模块）
3. Haproxy：模拟四层转发。
4. lvs：重量级四层负载均衡器。

七层负载均衡

介绍

1. 七层负载均衡器是基于虚拟的url或主机ip的负载均衡。
2. 七层负载均衡在于内容的交换，即应用层报文内容的交换解析。
3. 七层负载均衡器也称为七层交换机，支持四层负载均衡器的功能，且可分析应用层信息，如HTTP协议、URI、Cookie等信息。

原理

1. 通过虚拟url或主机ip进行流量识别，根据应用层信息进行解析，决定是否需要进行负载均衡。
2. 代理后台服务器与客户端建立连接，如nginx可代理前后端，与前端客户端tcp连接，与后端服务器建立tcp连接。

产品

1. Nginx：基于http协议（nginx七层是通过proxy_paas）
2. Haproxy：七层代理，会话保持、标记、路径转移等。

四层和七层的区别

1. 分层位置：四层负载均衡在传输层及以下，七层负载均衡在应用层及以下。
2. 性能：四层负载均衡架构无需解析报文消息内容，在网络吞吐量与处理能力上较高；七层可支持解析应用层报文消息内容，识别URL、Cookie、HTTP header等信息。
3. 原理：四层负载均衡是基于ip+port；七层是基于虚拟的URL或主机IP等。
4. 功能类比：四层负载均衡类似于路由器；七层类似于代理服务器。
5. 安全性：四层负载均衡无法识别DDoS攻击；七层可防御SYN Cookie/Flood攻击