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
- 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。
- 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
- 软件负载均衡
- 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
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）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）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）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）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）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）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
- 四层负载均衡是基于ip+port的负载均衡。
- 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。
- 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
- 通过ip+port决定负载均衡的去向。
- 对流量请求进行NAT处理，转发至后台服务器。
- 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
- 外部发送tcp请求进入负载均衡设备。
- 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。
- tcp三次握手进行客户端和服务器的连接。
产品
- F5：硬件负载均衡器，成本较高。
- Nginx：轻量级四层负载均衡器，可缓存。（nginx四层是通过upstream模块）
- Haproxy：模拟四层转发。
- lvs：重量级四层负载均衡器。
七层负载均衡
介绍
- 七层负载均衡器是基于虚拟的url或主机ip的负载均衡。
- 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。
- 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
- 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。
- 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
- Nginx：基于http协议（nginx七层是通过proxy_paas）
- Haproxy：七层代理，会话保持、标记、路径转移等。
四层和七层的区别
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。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。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。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。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