负载均衡
1 什么是负载均衡?
百度百科是这样说的:
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。
负载均衡（Load Balance）其意思就是分摊到多个操作单元上进行执行，例如Web服务器、FTP服务器、企业关键应用服务器和其它关键任务服务器等，从而共同完成工作任务。
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？
这就是负载均衡所要解决的问题。回到上边请求页面的过程，这个请求此时会被一台专门的服务器来处理，这台服务器其实就是个集群的老大，他负责把这个请求派给下面哪个小弟（服务器）来处理，处理完之后将数据返回给用户。当有多个请求同时发生时，集群的老大可以将请求派给不同的小弟，这样处理的效率就会大幅提升，充分发挥集群的力量，至于哪个请求到底派给哪个小弟，这就是调度策略的问题了。
我的理解就是有一个老大哥给每一小弟安排工作,而且工作不能偏心,要能使每一个小弟都能很好的工作,这样他们的效率就会更高,不会轻易累死小弟…
1.1 负载均衡的特点
负载均衡技术具有一下优势：
高性能：负载均衡技术将业务较均衡的分担到多台设备或链路上，从而提高了整个系统的性能；
可扩展性：负载均衡技术可以方便的增加集群中设备或链路的数量，在不降低业务质量的前提下满足不断增长的业务需求；
高可靠性：单个甚至多个设备或链路法神故障也不会导致业务中断，提高了整个系统的可靠性；
可管理性：大量的管理共组都集中在使用负载均衡技术的设备上，设备集群或链路集群只需要维护通过的配置即可；
透明性：对用户而言，集群等于一个或多个高可靠性、高性能的设备或链路，用户感知不到，也不关心具体的网络结构，增加或减少设备或链路数量都不会影响正常的业务。
1.2 负载均衡的分类
负载均衡技术分类：
服务器负载均衡：在数据中心等组网环境中，可以采用服务器负载均衡，将网络服务分担给多台服务器进行处理，提高数据中心的业务处理能力；
链路负载均衡：在有多个运营商出接口的组网环境中，可以采用出方向多链路动态负载均衡，实现链路的动态选择，提高服务的可靠性；
防火墙负载均衡：在防火墙处理能力成为瓶颈的组网环境中，可以采用防火墙负载均衡，将网络流量分担给多台防火墙设备，提高防火桥的处理能力；
2. 负载均衡的算法
- 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。 - 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- …… - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
3. 负载均衡的实现
3.1 HTTP重定向实现负载均衡
HTTP重定向服务器就是一个普通的服务器，当用户访问时，其会根据一定的算法得到服务器集群的一个真实服务器的IP地址，将其放在HTTP响应头中，响应状态码为（302），当用户浏览器接收到这个响应时，会将得到的真实服务器的IP地址提出并重新访问。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。
优点：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。
缺点:
- 这种方式需要用户浏览器访问两次，性能较差
- HTTP重定向服务器会的处理能力会成为负载均衡的瓶颈由于不同用户的访问时间
- HTTP重定向返回302，可能会使搜索引擎判定为SEO作弊，降低搜索排名,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
3.2 DNS负载均衡
- 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
优点：
- 将负载均衡工作交给DNS，省略掉了网络管理的麻烦
- 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。
- 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。
缺点：
- 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。。
- 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（可以用动态 DNS来解决）。
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。
3.3 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）.
- 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)。
3.4 IP层负载均衡
先看一下ip层ip包的结构
可以看到结构中有原地址和目标地址这两个部分,这是实现ip层负载均衡的关键,我们就是通过修改这两个地址来达到“转发”目的
- 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。
优点: 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。
缺点: 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。
3.5 反向代理负载均衡(nginx)
代理与反向代理:VPN服务就是我们常用的一种代理（正向代理），用户将请教交给代理服务器，代理服务器访问网站获取数据，之后代理服务器再将数据返还给用户。在这个过程中，应用服务器并不知道用户的存在。只知道代理浏览器的访问。
反向代理是指在服务器端的代理，代理服务器接收用户的请求，再转发给真实服务器，之后再返回给代理服务器再给用户，在这个过程中，用户并不知道真实服务器的存在。
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。
- 反向代理服务器管理了一组服务器，当用户访问时，代理服务器根据负载均衡算法将请求转发到真实服务器，真实服务器也通过反向代理服务器返还数据。内部服务器不对外部提供服务，所以不需要外部IP，而反向代理服务器需要两个网卡，一个IP用于外部用户访问使用，另外一个用于内部使用
优点：
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
4. 四层和七层负载均衡的区别
源自:负载均衡基础知识:https://www.cnblogs.com/danbing/p/7459224.html
作者: 金钟路上小码工
4.1 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。
4.2 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”, 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。