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隨著信息技術的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應用的數(shù)量不斷增長，為了滿足用戶的需求，同時提高系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性，引入負載均衡成為了必然趨勢。在負載均衡方案中，三層負載均衡技術已成為主流的選項之一，尤其是在 Linux 系統(tǒng)中，得到了廣泛的應用。
創(chuàng)新互聯(lián)公司堅持“要么做到，要么別承諾”的工作理念，服務領域包括：成都網(wǎng)站建設、網(wǎng)站設計、企業(yè)官網(wǎng)、英文網(wǎng)站、手機端網(wǎng)站、網(wǎng)站推廣等服務，滿足客戶于互聯(lián)網(wǎng)時代的安化網(wǎng)站設計、移動媒體設計的需求，幫助企業(yè)找到有效的互聯(lián)網(wǎng)解決方案。努力成為您成熟可靠的網(wǎng)絡建設合作伙伴！
一、三層負載均衡技術的概念及工作原理
三層負載均衡技術是指在網(wǎng)絡架構中，分為三個層次：應用層、傳輸層和網(wǎng)絡層。其中，應用層主要負責處理用戶請求和響應；傳輸層主要負責負載均衡策略的實現(xiàn)和協(xié)議轉發(fā)；網(wǎng)絡層主要負責路由選擇和數(shù)據(jù)交換。三層負載均衡技術將負載均衡策略實現(xiàn)在傳輸層，通過分配連接給不同的后端服務器，并將請求轉發(fā)到指定的服務器上，從而實現(xiàn)了負載均衡的目的。
實現(xiàn)三層負載均衡技術有多種方式，其中 Nginx、HAProxy、LVS 等常見的負載均衡軟件都是基于三層負載均衡技術實現(xiàn)的。它們的工作流程主要包括以下幾個步驟：
1. 通過監(jiān)聽端口接收客戶端請求，按照負載均衡策略選擇一臺后端服務器；
2. 將客戶端請求轉發(fā)到選擇的后端服務器；
3. 后端服務器處理請求并返回響應；
4. 負載均衡軟件將響應返回給客戶端。
二、實現(xiàn)高效響應的優(yōu)化技術
三層負載均衡技術可以有效提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，但是如何實現(xiàn)高效響應是構建高可用系統(tǒng)的關鍵所在。以下是一些三層負載均衡技術的優(yōu)化措施：
1. 使用SNAT或DNAT
服務器直接返回的響應報文可能無法識別源 IP，這將使負載均衡器無法將客戶端響應正確地路由回去。因此，我們需要使用SNAT或DNAT技術，將服務器返回的響應報文重寫為負載均衡器的 IP 地址，并將負載均衡器的 IP 地址替換為源 IP 地址，這樣才能確保客戶端能夠正確地接收響應。
2. 負載均衡算法
負載均衡算法直接決定了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，根據(jù)不同的業(yè)務場景選擇不同的負載均衡算法對于提升系統(tǒng)性能非常重要。目前常用的負載均衡算法有輪詢、加權輪詢、最小連接數(shù)、源 IP 哈希等。
3. 設置連接超時時間
負載均衡器可以設置連接超時時間，防止后端服務器出現(xiàn)連接請求超時的問題。通過設置連接超時時間，可以及時釋放空閑的連接，避免浪費服務器資源，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。
4. 健康檢查機制
健康檢查機制可以根據(jù)后端服務器的狀態(tài)判斷服務器是否可用，并且在發(fā)現(xiàn)不可用的服務器時，做出相應的調度，將請求分發(fā)到其他可用的服務器。目前常見的健康檢查方式主要有 TCP、HTTP、ICMP 等多種方式。
三、穩(wěn)定性優(yōu)化技術
穩(wěn)定性是構建高可用系統(tǒng)的重要指標之一，要想構建高穩(wěn)定性的系統(tǒng)，就需要引入一些技術手段，如下：
1. 避免單點故障
系統(tǒng)中的單點故障會導致整個系統(tǒng)失效。要避免單點故障，可以采用雙機熱備或者多機集群的方式，保證系統(tǒng)中的每個節(jié)點都能夠正常工作。
2. 防止故障擴散
故障難免會發(fā)生，如何避免故障擴散是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵所在。在負載均衡系統(tǒng)中，可以采用多副本備份、故障切換、自動恢復等方式解決故障，并且對于不可避免的故障，需要提前做好足夠的預案，確保系統(tǒng)能夠快速恢復。
3. 監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)
通過實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，并及時做出相應的調整。在負載均衡系統(tǒng)中，需要采用多樣化的監(jiān)控手段，如郵件、短信、微信等多種方式實現(xiàn)監(jiān)控告警，確保及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。
三層負載均衡技術在實現(xiàn)高效響應和穩(wěn)定性方面都有很好的優(yōu)勢。在構建高可用系統(tǒng)時，我們需要根據(jù)實際業(yè)務場景選擇不同的負載均衡解決方案，并結合實際運維經(jīng)驗，逐步完善系統(tǒng)優(yōu)化措施，以提升系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，為用戶提供更好的體驗。
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lvs負載均衡（簡介，三種工作模式，四種常用算法）
一，lvs簡介
LVS是Linux Virtual Server的簡稱，也就是Linux虛擬服務器，是一個由章文嵩博士發(fā)起的自由軟件項目，官方站點是：
?，F(xiàn)在LVS已經(jīng)是Linux標準內核的一部分，在Linux2.4內核以前，使用LVS時必須重新編譯內核以支持LVS功能模塊，但是從Linux2.4內核心之后，已經(jīng)完全內置了LVS的各個功能模塊，無需給內核打任何補丁，可以直接使用LVS提供的各種功能。使用LVS技術要達到的目標是：通過LVS提供的負載均衡技術和Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)一個高性能，高可用的服務器群集，它具有良好的可靠性、可擴展性和可操作性。從而以兄棚野低廉的成本實現(xiàn)更優(yōu)的服務性能。
二，三種工作模式
1、基于NAT的LVS模式負載均衡
也就是網(wǎng)絡地址翻譯技術實現(xiàn)虛擬服務器，當用戶請求到達調度器時，調度器將請求報文的目標地址（即虛擬IP地址）改寫成選定的Real Server地址，同時報文的目標端口也改成選定的Real Server的相應端口，***將報文請求發(fā)送到選定的Real Server。在服務器端得到數(shù)據(jù)后，Real Server返回數(shù)據(jù)給用戶時，需要再次經(jīng)過負載調度器將報文的源地址和源端口改成虛擬IP地址和相應端口，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，完成整個負載調度過程?？梢钥闯觯贜AT方式下，用戶請求和響應報文都必須經(jīng)過Director Server地址重寫，當用戶請求越來越多時，調度器的處理能力將稱為瓶頸。
2，基于TUN的LVS負載均衡
也就是IP隧道技術實現(xiàn)虛擬服務器。它的連接調度和管理與VS/NAT方式一樣，只是它的報文轉發(fā)方法不同，VS/TUN方式中，調度器采用IP隧道技術將用戶請求轉發(fā)到某個Real Server，而這個Real Server將直接響應用戶的請求，不再經(jīng)過前端調度器，此外，對Real Server的地域位置沒有要求，可以和Director Server位于同一個網(wǎng)段，也可以是獨立的一個網(wǎng)絡。因此，在TUN方式中，調度器將只處理用戶的報文請求，集群系統(tǒng)的吞吐量大大提高。
用的很少，圖省略
3，基于DR的LVS負載均衡
也就是用直接路由技術實現(xiàn)虛擬服務器。它的連接調度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，但它的報文轉發(fā)方法又有不同，VS/DR通過改寫請求報文的MAC地址，將請求發(fā)送到Real Server，而Real Server將響應直接返回給客戶，免去了VS/TUN中的IP隧道開銷。這種方式是三種負載調度機制中性能更好的，但是必須要求Director Server與Real Server都有一塊網(wǎng)卡連在同一物理網(wǎng)段上。
三，LVS負載均衡調度算法
上面我們談到，負載調度器是根據(jù)各 個服務器的負載情況，動和或態(tài)地選擇一臺Real Server響應用戶請求，那么動態(tài)選擇是如何實現(xiàn)呢，其實也就是我們這里要說的負載調度算法，根據(jù)不同的網(wǎng)絡服務需求和服務器配置，IPVS實現(xiàn)了如下 八種負載調度算法，這里我們詳細講述最常用的四種調度算法，剩余的四種調度算法請參考其它資料。
3.1 輪叫調度（Round Robin）
“輪叫”調度也叫1:1調度，調度器通過羨喊“輪叫”調度算法將外部用戶請求按順序1:1的分配到集群中的每個Real Server上，這種算法平等地對待每一臺Real Server，而不管服務器上實際的負載狀況和連接狀態(tài)。
3.2 加權輪叫調度（Weighted Round Robin）
“加 權輪叫”調度算法是根據(jù)Real Server的不同處理能力來調度訪問請求。可以對每臺Real Server設置不同的調度權值，對于性能相對較好的Real Server可以設置較高的權值，而對于處理能力較弱的Real Server，可以設置較低的權值，這樣保證了處理能力強的服務器處理更多的訪問流量。充分合理的利用了服務器資源。同時，調度器還可以自動查詢Real Server的負載情況，并動態(tài)地調整其權值。
3.3 最少鏈接調度（Least Connections）
“最少連接”調度算法動態(tài)地將網(wǎng)絡請求調度到已建立的鏈接數(shù)最少的服務器上。如果集群系統(tǒng)的真實服務器具有相近的系統(tǒng)性能，采用“最小連接”調度算法可以較好地均衡負載。
3.4 加權最少鏈接調度（Weighted Least Connections）
“加權最少鏈接調度”是“最少連接調度”的超集，每個服務節(jié)點可以用相應的權值表示其處理能力，而系統(tǒng)管理員可以動態(tài)的設置相應的權值，缺省權值為1，加權最小連接調度在分配新連接請求時盡可能使服務節(jié)點的已建立連接數(shù)和其權值成正比。
其它四種調度算法分別為：基于局部性的最少鏈接（Locality-Based Least Connections）、帶復制的基于局部性最少鏈接（Locality-Based Least Connections with Replication）、目標地址散列（Destination Hashing）和源地址散列（Source Hashing），對于這四種調度算法的含義，本文不再講述，如果想深入了解這其余四種調度策略的話，可以登陸LVS中文站點 zh.linuxvirtualserver.org，查閱更詳細的信息。
負載均衡：F5，Haproxy，lvs, nginx
閱讀本文前，需熟悉OSI七層參考模型。
常見的負載均衡設備，有F5，Haproxy，lvs, nginx等。
F5是商用硬件負載均衡，性能很好，但是價格昂貴，除了負載均衡，還有應用交換、會話交換、狀態(tài)監(jiān)控等眾多功能。
F5一般做四層負載均衡，但也支持七層負載均衡。
Haproxy(以下簡稱ha)是軟嘩唯歲件負載均衡，開源，一般做七層負載均衡，但也支持四層負載均衡。
Linux Virtual Server(以下簡稱lvs)是軟件負載均衡，開源，二層或四層負載均衡，已集成到linux內核，自身有完備的熱備方案（keepalived+lvs），穩(wěn)定性極強。
nginx也是軟件負載均衡，開源，通過反向代理實現(xiàn)負載均衡，是七層負載均衡，性能不如上面的幾個。
tips1
有些公司，測試環(huán)境用ha/lvs/nginx，生產(chǎn)環(huán)境用F5。
tips2
nginx做web服務器時，一般做靜態(tài)資源服務器和php的web服務器，所以很多公司，會采用F5+nginx或者ha+nginx的架構
tips3
微服務中的ribbon屬于客戶端負載均衡，上面的幾種都是服務端負載均衡
二層負載均衡
在數(shù)據(jù)鏈路層通過修改mac地址實現(xiàn)，如lvs的DR模式（直接路由模式）
三層負載均衡
在網(wǎng)絡層通過DNAT協(xié)議修改目標地址實現(xiàn)
四層負載均衡
用ip+端口實現(xiàn)請求轉發(fā)
備注：tcp報文里并沒有ip，但是四層負載均衡可以用ip+端口，是因為server可以拿到ip
七層負載均衡
通過重新發(fā)起http請求實現(xiàn)，即client把請求發(fā)給lb，lb把請求代發(fā)給server，再把server的響應返回給client，因此七層負載均衡也經(jīng)常被稱為代理，七層負載均衡設備也被稱為代理設備。
七層負載均衡常用于內網(wǎng)與外網(wǎng)的通信，比如內網(wǎng)無法直接訪問外網(wǎng)，需要通過代理設備代發(fā)http請求，這種情況下，代理設備需要配置雙網(wǎng)卡，以同時與內外網(wǎng)絡通信。
由于山寬需要重發(fā)http請求，七層負載均衡性能較差，但是更智能和安全，因為應用層可以獲取甚至修改請求的真實內容（即應用數(shù)據(jù)），比如cookie、url等，可以做一些智能的操作，比如根據(jù)cookie/url轉發(fā)請求，也可以做一些安全操作，比如過濾特定報文、防止SYN Flood攻擊等。
使用七層負載均衡時，服務的性能受限于代理設備的網(wǎng)卡帶寬。
常見的負載均衡策略，有輪詢、加權輪詢、ip_hash、cookie、url_hash，根據(jù)服務器響應時間轉發(fā)、根據(jù)最少連接轉發(fā)等等。
備注：nginx可以安裝第三方插件，使用第三方實現(xiàn)的策略
輪詢：按服務器列表順序轉發(fā)請求，輪詢是nginx默認的策略，本策略適合服務器配置相當、請求無狀態(tài)（即不依賴session）的場景
加權輪詢：如果不同服務器配置不同，可以為配亂睜置高的服務器增加權重
ip_hash：根據(jù)ip哈希結果轉發(fā)，可以實現(xiàn)同一用戶持續(xù)請求同一服務器（即會話保持），適合有狀態(tài)（即依賴session）的場景，對png、jpg、js、css等靜態(tài)資源的請求，不適合使用本策略
cookie：根據(jù)特定cookie轉發(fā)請求，一般也是用于實現(xiàn)會話保持，比如為服務器A、B分別增加service-flag=a、service-flag=b的cookie，后續(xù)請求根據(jù)cookie轉發(fā)
可以參考 haproxy實現(xiàn)會話保持
url_hash：根據(jù)url哈希結果轉發(fā)，同一個接口始終請求同一臺服務器，一般配合緩存使用，緩存接口返回結果
根據(jù)服務器響應時間轉發(fā)：優(yōu)先轉發(fā)到響應時間較快的服務器
根據(jù)最少連接轉發(fā)：優(yōu)先轉發(fā)到連接數(shù)較少的服務器
F5有一些特有的負載均衡策略：利用從應用程序和服務器收集到的各項性能指標，分析并轉發(fā)
負載均衡有兩個步驟：
1.根據(jù)什么算法選擇真實服務端，即負載均衡策略，如輪詢、加權輪詢、ip_hash、cookie、url_hash等；
2.把請求轉發(fā)到真實服務器，轉發(fā)方式有二層到七層負載均衡
keepalived軟件一開始是專為lvs設計的，后來加入了可以實現(xiàn)高可用的VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol ,虛擬路由器冗余協(xié)議）功能，因此，keepalived還可以作為nginx、haproxy、mysql等服務的高可用解決方案。
以nginx為例，為了防止nginx本身由于宕機等原因導致網(wǎng)站不可用，一般會搭兩套nginx反向代理，用keepalived提供一個VIP。
一般情況下，VIP只在nginx主節(jié)點上工作，如果nginx主節(jié)點不可用了，VIP會自動漂移到從節(jié)點，自動漂移的原理即VRRP協(xié)議。
VIP漂移到從節(jié)點后，如果主節(jié)點恢復正常了，VIP是否漂移回主節(jié)點，取決于當前模式是搶占模式還是非搶占模式。
下圖是一張簡單的架構圖，解釋如下：
以上觀點純屬個人意見，如果錯誤，歡迎指出，有些地方寫的很簡單，是因為我也不懂~
linux 三層負載均衡的介紹就聊到這里吧，感謝你花時間閱讀本站內容，更多關于linux 三層負載均衡,實現(xiàn)高效響應與穩(wěn)定性：探究 Linux 三層負載均衡技術,lvs負載均衡（簡介，三種工作模式，四種常用算法）,負載均衡：F5，Haproxy，lvs, nginx的信息別忘了在本站進行查找喔。
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