什么是四层和七层负载均衡?

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在网站创立初期,我们一般都使用单台机器对台提供集中式服务,但是随着业务量越来越大,无论是性能上还是稳定性上都有了更大的挑战。这时候我们就会想到通过扩容的方式来提供更好的服务。

我们一般会把多台机器组成一个集群对外提供服务。然而,我们的网站对外提供的访问入口都是一个的,比如www.abc.com。那么当用户在浏览器输入www.abc.com的时候如何将用户的请求分发到集群中不同的机器上呢,这就是负载均衡在做的事情。

一、负载均衡介绍

负载均衡(Load Balance)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。

负载均衡有两方面的含义。首先,大量的并发访问或数据流量分担到多台节点设备上分别处理,减少用户等待响应的时间;其次,单个重负载的运算分担到多台节点设备上做并行处理,每个节点设备处理结束后,将结果汇总,返回给用户,系统处理能力得到大幅度提高。本文所要介绍的负载均衡技术主要是指在均衡服务器群中所有服务器和应用程序之间流量负载的应用,目前负载均衡技术大多数是用于提高诸如在Web服务器、FTP服务器和其它关键任务服务器上的Internet服务器程序的可用性和可伸缩性。

二、简单理解四层和七层负载均衡

所谓四层就是基于IP+端口的负载均衡;七层就是基于URL等应用层信息的负载均衡。同理,还有基于MAC地址的二层负载均衡和基于IP地址的三层负载均衡。 换句换说,二层负载均衡会通过一个虚拟MAC地址接收请求,然后再分配到真实的MAC地址;三层负载均衡会通过一个虚拟IP地址接收请求,然后再分配到真实的IP地址;四层通过虚拟IP+端口接收请求,然后再分配到真实的服务器;七层通过虚拟的URL或主机名接收请求,然后再分配到真实的服务器。

所谓的四到七层负载均衡,就是在对后台的服务器进行负载均衡时,依据四层的信息或七层的信息来决定怎么样转发流量。 比如四层的负载均衡,就是通过发布三层的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,对需要处理的流量进行NAT处理,转发至后台服务器,并记录下这个TCP或者UDP的流量是由哪台服务器处理的,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。七层的负载均衡,就是在四层的基础上再考虑应用层的特征,比如同一个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。举个例子,如果你的Web服务器分成两组,一组是中文语言的,一组是英文语言的,那么七层负载均衡就可以当用户来访问你的域名时,自动辨别用户语言,然后选择对应的语言服务器组进行负载均衡处理。

③ 负载均衡设备通常称为四层交换机或七层交换机。四层交换机主要分析IP层及TCP/UDP层,实现四层流量负载均衡。七层交换机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。

二、两类负载均衡的区别在哪里

第一,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。

第二,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。

第三,七层应用需要考虑的问题。

1、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。

2、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。

3、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。

(文/神马库平台)

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