一、集群概念

1、集群（cluster）

二、负载均衡集群

1、实现效果图

2、负载均衡分类

3、四层负载均衡

4、七层负载均衡

5、4层负载均衡和7层负载均衡的区别

三、LVS四层负载均衡

1、LVS介绍

2、LVS的优势和不足

3、LVS核心组件和专业术语

4、LVS工作内核模型及工作模式

一、集群概念

1、集群（cluster）

（1）集群技术是一种新技术，可以在付出较低成本的情况下获得性能、可靠性、灵活性方面相对高的收益。

（2）集群是一组相互独立的、通过高速网络互联的计算机，他们构成一个组，并以单一系统的模式加以管理。一个客户与集群相互作用时，集群像是一个独立的服务器。

（3）集群组成后，可以利用多个计算机和组合进行海量请求处理（负载均衡），从而获得很高的处理效率，也可用多个计算机做备份（高可用），使得一个机器坏了整个系统还是可以正常运行。集群可以极大提高互联网业务的可用性和可缩放性。

二、负载均衡集群

负载均衡集群为企业需求提供了可解决容量问题的有效方案，使负载可以在计算机集群中尽可能的分摊处理。

负载通常包括应用程序处理负载和网络流量负载。这样的系统适合向使用同一组应用程序的大量用户提供服务。每个节点都可以承担一定的处理负载，并且可以实现负载在节点间的动态分配，以实现负载均衡。网络流量负载，当网络服务程序接受了高入网流量，以致于无法迅速处理，网络流量就会发送给其他节点上运行的网络服务程序，也可以根据服务器的承载能力，进行服务请求的分发，从而使用户的请求得到更快速的发展。

负载均衡技术类型：基于4层负载均衡技术和基于7层负载均衡技术

负载均衡实现方式：硬件负载均衡设备和软件负载均衡

硬件负载均衡产品：F5 BIG-IP 、Citrix Netscaler、深信服、Array、Radware

软件负载均衡产品：LVS（Linux virtual Server）、Haproxy、Nginx、Ats（apache traffic server）

1、实现效果图

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），以及应用的地理结构（本地/全局负载均衡）等来分类。

根据负载均衡作用在OSI模型的位置不同，负载均衡可以大概分为几类：

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地址的方式，外部对虚拟的ip地址请求，负载均衡接受后分配后端实际的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接受请求，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。

3、四层负载均衡

基于IP+端口的负载均衡，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），然后加上四层的端口号，来决定哪些流量需要负载均衡，对需要处理的流量进行NAT（路由转发）处理，转发至后台服务器，并记录TCP或者UDP的流量是哪台服务器处理的，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）详细情况：以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，及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作用。

（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。此负载均衡器并不理解应用协议（如HTTP/FTP/MYSQL等)

（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，但成本很高
LVS：重量级的四层负载均衡软件
Nginx:轻量级的四层负载均衡软件，带缓存功能，正则表达式较灵活
Haproxy：模拟四层转发，较灵活

4、七层负载均衡

基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡。也成为“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，决定最终选择的服务器。

layer 7

（1）在四层负载均衡的基础上，在考虑应用层的特征。eg：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。

（2)以常见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，才可能接收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。

（3）七层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，还有分析应用层信息，如HTTP协议、URL或Cookie信息，实现七层负载均衡。

（4）实现七层负载均衡的软件

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、4层负载均衡和7层负载均衡的区别

	四层负载均衡	七层负载均衡
基于	基于IP Port	URL
类似于	路由器	代理服务器
握手次数	1	2
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以及SYN flood等
额外功能	无	会话保持，图片压缩，防盗链等

最大的区别：效率和功能的区别。四层负载架构设计比较简单，无需解析具体信息，想要性能较高的负载均衡选择四层负载均衡，想要服务功能更全安全性更好，可以选七层负载均衡：nginx或haproxy。

三、LVS四层负载均衡

1、LVS介绍

（1）简称：Linux Virtual Server，也就是Linux虚拟服务器。由章文嵩博士发起的自由软件项目。

官网：www.linuxvirtualserver.org

（2）可以利用LVS技术实现高可伸缩的、高可用的网络服务，例如www服务、Cache服务、DNS服务、FTP服务、MAIL服务、视频/音频点播放等。

（3）LVS软件作用：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高新能，高可用的服务器集群，具有良好的可靠性、可扩展性和操作性，从而以低廉的成本实现最优的服务性能。

2、LVS的优势和不足

（1）优势

高并发连接：LVS基于内核网络层面工作，有超强的承载能力和并发处理能力。

稳定性强：是工作在网络4层之上仅作分发作用，在负载均衡软件里性能最强，稳定性最好，对内存和CPU资源消耗极低。
成本低廉：Lvs仅需一台服务器就能免费部署使用，性价比比较高。
配置简单：LVs的配置非常简单，仅需几行命令即可完成配置，也可写成脚本进行管理。
支持多种算法：支持多种论调算法，可根据业务场景灵活调配使用。
支持多种工作模型：可根据业务场景，使用不同的工作模式来解决生产环境请求处理问题。
应用范围广：lvs工作在四层，几乎可以对所有应用做负载均衡。

（2）不足

工作在四层，不支持7层规则修改，机制过于庞大，不适合小规模使用。

3、LVS核心组件和专业术语

（1）核心组件

LVS的管理工具和内核模块ipvsadm/ipvs

Ipvsadm:用户空间的命令行工具，用于管理集群服务及集群服务上的RS等；

ipvs：工作于内核上的netfilter INPUT钩子之上的程序，可根据用户定义的集群实现请求转发。

（2）专业术语

VS：Virtual Server 虚拟服务

Director ，Balancer 负载均衡器、分发器

RS: Real Server 后端请求处理服务器

CIP：client IP 用户IP

VIP：Diector Virtual IP 负载均衡器虚拟IP

DIP：Director IP 负载均衡器IP

RIP：Real Server IP 后端请求处理服务器

4、LVS工作内核模型及工作模式

（1）当客户端请求到达负载均衡器的内核空间时，首先会到达PREROUTING链；

（2）当内核发现请求数据包的目的地址是本机时，将数据包发送往INPUT链；

（3）LVS用户空间的ipvsadm和内核空间的ipvs组成，ipvsadm用来定义规格规则，ipvs利用ipvsadm定义的规则工作，ipvs工作在INPUT链上，当时数据包达到INPUT链上时，首先会被ipvs检查，如果数据包里面的目的地址及端口没有在规则里面，将本条数据包放行至用户空间。

（4）如果数据包里面的目的地址及端口在规则里面，那么这条数据报文将被修改目的地址为事先定义好的后端服务器，并送往POSTROUTING链；

（5）最后经由POSTROUTING链发送往后端服务器。

LVS内核模型：

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