【转】Nginx学习---负载均衡的原理、分类、实现架构，以及使用场景

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一、什么是负载均衡？

互联网早期，业务流量比较小并且业务逻辑比较简单，单台服务器便可以满足基本的需求；但随着互联网的发展，业务流量越来越大并且业务逻辑也越来越复杂，单台机器的性能问题以及单点问题凸显了出来，因此需要多台机器来进行性能的水平扩展以及避免单点故障。但是要如何将不同的用户的流量分发到不同的服务器上面呢？

早期的方法是使用DNS做负载，通过给客户端解析不同的IP地址，让客户端的流量直接到达各个服务器。但是这种方法有一个很大的缺点就是延时性问题，在做出调度策略改变以后，由于DNS各级节点的缓存并不会及时的在客户端生效，而且DNS负载的调度策略比较简单，无法满足业务需求，因此就出现了负载均衡。

客户端的流量首先会到达负载均衡服务器，由负载均衡服务器通过一定的调度算法将流量分发到不同的应用服务器上面，同时负载均衡服务器也会对应用服务器做周期性的健康检查，当发现故障节点时便动态的将节点从应用服务器集群中剔除，以此来保证应用的高可用。

负载均衡又分为四层负载均衡和七层负载均衡。四层负载均衡工作在OSI模型的传输层，主要工作是转发，它在接收到客户端的流量以后通过修改数据包的地址信息将流量转发到应用服务器。

七层负载均衡工作在OSI模型的应用层，因为它需要解析应用层流量，所以七层负载均衡在接到客户端的流量以后，还需要一个完整的TCP/IP协议栈。七层负载均衡会与客户端建立一条完整的连接并将应用层的请求流量解析出来，再按照调度算法选择一个应用服务器，并与应用服务器建立另外一条连接将请求发送过去，因此七层负载均衡的主要工作就是代理。

二、四层和七层负载均衡的区别？

2.1 - 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。那么，为什么还需要七层负载均衡呢？

2.2 - 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", 参考我们之前的另外一篇专门针对HTTP应用的优化的介绍，就可以基本上了解这种方式的优势所在。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攻击，即黑客控制众多源客户端，使用虚假IP地址对同一目标发送SYN攻击，通常这种攻击会大量发送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攻击都会被转发到后端的服务器上；而七层模式下这些SYN攻击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等应用层面的特定攻击手段，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广泛的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。

2.3 - 七层应用需要考虑的问题。

• 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。
• 是否真的可以提高安全性。例如SYN Flood攻击，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。
• 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。

三、负载均衡的算法？

1、随机算法

• Random随机，按权重设置随机概率。在一个截面上碰撞的概率高，但调用量越大分布越均匀，而且按概率使用权重后也比较均匀，有利于动态调整提供者权重。

2、轮询及加权轮询

• 轮询(Round Robbin)当服务器群中各服务器的处理能力相同时，且每笔业务处理量差异不大时，最适合使用这种算法。 轮循，按公约后的权重设置轮循比率。存在慢的提供者累积请求问题，比如：第二台机器很慢，但没挂，当请求调到第二台时就卡在那，久而久之，所有请求都卡在调到第二台上。
• 加权轮询(Weighted Round Robbin)为轮询中的每台服务器附加一定权重的算法。比如服务器1权重1，服务器2权重2，服务器3权重3，则顺序为1-2-2-3-3-3-1-2-2-3-3-3- ......

3、最小连接及加权最小连接

• 最少连接(Least Connections)在多个服务器中，与处理连接数(会话数)最少的服务器进行通信的算法。即使在每台服务器处理能力各不相同，每笔业务处理量也不相同的情况下，也能够在一定程度上降低服务器的负载。
• 加权最少连接(Weighted Least Connection)为最少连接算法中的每台服务器附加权重的算法，该算法事先为每台服务器分配处理连接的数量，并将客户端请求转至连接数最少的服务器上。

4、哈希算法

• 普通哈希
• 一致性哈希一致性Hash，相同参数的请求总是发到同一提供者。当某一台提供者挂时，原本发往该提供者的请求，基于虚拟节点，平摊到其它提供者，不会引起剧烈变动。

5、IP地址散列

• 通过管理发送方IP和目的地IP地址的散列，将来自同一发送方的分组(或发送至同一目的地的分组)统一转发到相同服务器的算法。当客户端有一系列业务需要处理而必须和一个服务器反复通信时，该算法能够以流(会话)为单位，保证来自相同客户端的通信能够一直在同一服务器中进行处理。

6、URL散列

• 通过管理客户端请求URL信息的散列，将发送至相同URL的请求转发至同一服务器的算法。

四、负载均衡的实现（DNS > 数据链路层 > IP层 > Http层）？

1 - DNS域名解析负载均衡（延迟）

利用DNS处理域名解析请求的同时进行负载均衡是另一种常用的方案。在DNS服务器中配置多个A记录，如：www.mysite.com IN A 114.100.80.1、www.mysite.com IN A 114.100.80.2、www.mysite.com IN A 114.100.80.3.

每次域名解析请求都会根据负载均衡算法计算一个不同的IP地址返回，这样A记录中配置的多个服务器就构成一个集群，并可以实现负载均衡。

DNS域名解析负载均衡的优点是将负载均衡工作交给DNS，省略掉了网络管理的麻烦，缺点就是DNS可能缓存A记录，不受网站控制。事实上，大型网站总是部分使用DNS域名解析，作为第一级负载均衡手段，然后再在内部做第二级负载均衡。

2 - 数据链路层负载均衡(LVS)

数据链路层负载均衡是指在通信协议的数据链路层修改mac地址进行负载均衡。

这种数据传输方式又称作三角传输模式，负载均衡数据分发过程中不修改IP地址，只修改目的的mac地址，通过配置真实物理服务器集群所有机器虚拟IP和负载均衡服务器IP地址一样，从而达到负载均衡，这种负载均衡方式又称为直接路由方式（DR）.

在上图中，用户请求到达负载均衡服务器后，负载均衡服务器将请求数据的目的mac地址修改为真是WEB服务器的mac地址，并不修改数据包目标IP地址，因此数据可以正常到达目标WEB服务器，该服务器在处理完数据后可以经过网管服务器而不是负载均衡服务器直接到达用户浏览器。

使用三角传输模式的链路层负载均衡是目前大型网站所使用的最广的一种负载均衡手段。在linux平台上最好的链路层负载均衡开源产品是LVS(linux virtual server)。

3 - IP负载均衡(SNAT)

IP负载均衡：即在网络层通过修改请求目标地址进行负载均衡。

用户请求数据包到达负载均衡服务器后，负载均衡服务器在操作系统内核进行获取网络数据包，根据负载均衡算法计算得到一台真实的WEB服务器地址，然后将数据包的IP地址修改为真实的WEB服务器地址，不需要通过用户进程处理。真实的WEB服务器处理完毕后，相应数据包回到负载均衡服务器，负载均衡服务器再将数据包源地址修改为自身的IP地址发送给用户浏览器。

这里的关键在于真实WEB服务器相应数据包如何返回给负载均衡服务器，一种是负载均衡服务器在修改目的IP地址的同时修改源地址，将数据包源地址改为自身的IP，即源地址转换（SNAT），另一种方案是将负载均衡服务器同时作为真实物理服务器的网关服务器，这样所有的数据都会到达负载均衡服务器。

IP负载均衡在内核进程完成数据分发，较反向代理均衡有更好的处理性能。但由于所有请求响应的数据包都需要经过负载均衡服务器，因此负载均衡的网卡带宽成为系统的瓶颈。

4 - HTTP重定向负载均衡(少见)

HTTP重定向服务器是一台普通的应用服务器，其唯一的功能就是根据用户的HTTP请求计算一台真实的服务器地址，并将真实的服务器地址写入HTTP重定向响应中（响应状态吗302）返回给浏览器，然后浏览器再自动请求真实的服务器。

这种负载均衡方案的优点是比较简单，缺点是浏览器需要每次请求两次服务器才能拿完成一次访问，性能较差；使用HTTP302响应码重定向，可能是搜索引擎判断为SEO作弊，降低搜索排名。重定向服务器自身的处理能力有可能成为瓶颈。因此这种方案在实际使用中并不见多。

5 - 反向代理负载均衡(nginx)

传统代理服务器位于浏览器一端，代理浏览器将HTTP请求发送到互联网上。而反向代理服务器则位于网站机房一侧，代理网站web服务器接收http请求。

反向代理的作用是保护网站安全，所有互联网的请求都必须经过代理服务器，相当于在web服务器和可能的网络攻击之间建立了一个屏障。

除此之外，代理服务器也可以配置缓存加速web请求。当用户第一次访问静态内容的时候，静态内存就被缓存在反向代理服务器上，这样当其他用户访问该静态内容时，就可以直接从反向代理服务器返回，加速web请求响应速度，减轻web服务器负载压力。

另外，反向代理服务器也可以实现负载均衡的功能。

由于反向代理服务器转发请求在HTTP协议层面，因此也叫应用层负载均衡。优点是部署简单，缺点是可能成为系统的瓶颈。

为什么需要负载均衡

当系统面临大量用户访问，负载过高的时候，通常会使用增加服务器数量来进行横向扩展，使用集群和负载均衡提高整个系统的处理能力。

从单机网站到分布式网站，很重要的区别是业务拆分和分布式部署，将应用拆分后，部署到不同的机器上，实现大规模分布式系统。分布式和业务拆分解决了，从集中到分布的问题，但是每个部署的独立业务还存在单点的问题和访问统一入口问题，为解决单点故障，我们可以采取冗余的方式。将相同的应用部署到多台机器上。解决访问统一入口问题，我们可以在集群前面增加负载均衡设备，实现流量分发。

负载均衡的原理

系统的扩展可分为纵向（垂直）扩展和横向（水平）扩展。

纵向扩展，是从单机的角度通过增加硬件处理能力，比如CPU处理能力，内存容量，磁盘等方面，实现服务器处理能力的提升，不能满足大型分布式系统（网站），大流量，高并发，海量数据的问题。

因此需要采用横向扩展的方式，通过添加机器来满足大型网站服务的处理能力。比如：一台机器不能满足，则增加两台或者多台机器，共同承担访问压力。这就是典型的集群和负载均衡架构：如下图：

• 应用集群：将同一应用部署到多台机器上，组成处理集群，接收负载均衡设备分发的请求，进行处理，并返回相应数据。
• 负载均衡设备：将用户访问的请求，根据负载均衡算法，分发到集群中的一台处理服务器。（一种把网络请求分散到一个服务器集群中的可用服务器上去的设备）

负载均衡的作用

1.解决并发压力，提高应用处理性能（增加吞吐量，加强网络处理能力）；

2.提供故障转移，实现高可用；

3.通过添加或减少服务器数量，提供网站伸缩性（扩展性）；

4.安全防护；（负载均衡设备上做一些过滤，黑白名单等处理）

负载均衡的分类

1）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）

2）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）

3）四层负载均衡（tcp）

在三次负载均衡的基础上，用ip+port接收请求，再转发到对应的机器。

4）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。

最常见的四层和七层负载均衡

1）四层的负载均衡就是基于IP+端口的负载均衡：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）。

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

2）七层的负载均衡就是基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡

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。

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。

总的来说，一般是lvs做4层负载；nginx做7层负载；haproxy比较灵活，4层和7层负载均衡都能做。

负载均衡应用场景

场景一：应用于高访问量的业务

如果您的应用访问量很高，您可以通过配置监听规则将流量分发到不同的服务器上。

场景二：横向扩张系统

您可以根据业务发展的需要，通过随时添加和移除服务器，来扩展应用系统的服务能力，适用于各种Web服务器和App服务器。

场景三：消除单点故障

当其中一部分服务器发生故障后，负载均衡会自动屏蔽故障的服务器，将请求分发给正常运行的服务器，保证应用系统仍能正常工作。

场景四：同城容灾 （多可用区容灾）

为了提供更加稳定可靠的负载均衡服务，当主可用区出现机房故障或不可用时，负载均衡仍然有能力在非常短的时间内切换到另外一个备可用区恢复服务能力；当主可用区恢复时，负载均衡同样会自动切换到主可用区提供服务，保证服务依然正常运行。