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1. 為什么負(fù)載均衡一般采用混合方式
2. 七層負(fù)載為什么比四層負(fù)載性能要低？
3. 四層負(fù)載概念真的對嗎？
4. 文章較長，各位能不能持久到最后？

在正式開篇之前，先說幾個瓜：

1. 硬件負(fù)載均衡的性能最高，其次是軟件負(fù)載均衡的四層負(fù)載，最差的是七層負(fù)載，那為什么七層負(fù)載均衡反而應(yīng)用最廣泛呢？
2. 一般公司都會采用混合型的負(fù)載均衡，為什么四層負(fù)載一定要在七層負(fù)載之前呢？

說到負(fù)載均衡，目前可以說是程序員面試中的基礎(chǔ)題了，如果連負(fù)載均衡都沒搞過，B格多半會掉好幾個層級。遙想很多年前單體時代，一個玩過負(fù)載均衡的程序員可是很吃香的，出去面試算是自帶Buffer的那種。無論如何，在分布式橫行的現(xiàn)代擼碼過程中，負(fù)載均衡已然成為微服務(wù)乃至ServiceMesh中不可或缺的一部分。

負(fù)載均衡按照工程來說，都是圍繞“分”字來做的，無論是硬件負(fù)載均衡還是軟件負(fù)載均衡，最終目的都是為了提高系統(tǒng)整體的負(fù)載能力。

負(fù)載均衡分類

硬件負(fù)載均衡

典型的代表是F5，價格比較昂貴，一般中小企業(yè)不愿意采用。性價比不是F5的優(yōu)勢，F(xiàn)5有行業(yè)最全面和最領(lǐng)先的解決方案，志在為客戶提供更加安全、智能、高效的應(yīng)用服務(wù)。

硬件負(fù)載均衡獨(dú)立于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，所以它感知不到后端應(yīng)用的狀態(tài)，由于它處于網(wǎng)絡(luò)層，所以要想做到自動踢出有問題的業(yè)務(wù)服務(wù)器比較難。

優(yōu)點(diǎn)：能夠直接通過智能交換機(jī)實(shí)現(xiàn),處理能力更強(qiáng)，而且與系統(tǒng)無關(guān)，負(fù)載性能強(qiáng)，更適用大訪問量、大企業(yè)使用

缺點(diǎn)：成本高，除設(shè)備價格高昂，而且配置比較麻煩，需要專業(yè)的運(yùn)維人員去搞。

軟件負(fù)載均衡

根據(jù)軟件負(fù)載均衡中均衡器所在的OSI網(wǎng)絡(luò)模型中的層次，業(yè)界把負(fù)載均衡分為了四層負(fù)載和七層負(fù)載。它們有著自己的優(yōu)勢和劣勢，下邊會詳細(xì)的講解。

優(yōu)點(diǎn)：基于系統(tǒng)與應(yīng)用的負(fù)載均衡，能夠更好地根據(jù)系統(tǒng)與應(yīng)用的狀況來分配負(fù)載。這對于復(fù)雜應(yīng)用是很重要的，性價比高，實(shí)際上如果幾臺服務(wù)器，用F5之類的硬件產(chǎn)品顯得有些浪費(fèi)，而用軟件就要合算得多，因?yàn)榉?wù)器同時還可以跑應(yīng)用做集群等。

缺點(diǎn)：負(fù)載能力受服務(wù)器本身性能的影響，性能越好，負(fù)載能力越大。

四層負(fù)載

無論是四層負(fù)載均衡還是七層負(fù)載均衡，都離不開OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型，如果你大學(xué)沒有掌握，現(xiàn)在再給你一次機(jī)會

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載

通過OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型可以知道，數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)膬?nèi)容是“幀”，數(shù)據(jù)幀的格式這里不做詳細(xì)介紹，我們只需要知道它包含了來源MAC地址和目標(biāo)MAC地址，每一個MAC對應(yīng)一個網(wǎng)卡或者說對應(yīng)一臺服務(wù)器（多網(wǎng)卡的服務(wù)器除外）。

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載均衡器的工作就是修改接收到的數(shù)據(jù)中的目標(biāo)MAC地址，把目標(biāo)MAC地址修改為真實(shí)服務(wù)器的MAC地址，修改之后，交換機(jī)會根據(jù)修改之后的MAC地址，把請求發(fā)送給真實(shí)的處理服務(wù)器，由于只修改了目標(biāo)MAC地址，并沒有涉及網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的修改，所以上層依然可以正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

“OSI七層模型中，每一層關(guān)注的數(shù)據(jù)并不相同

在數(shù)據(jù)鏈路層只能做到修改MAC地址，這也就意味著目標(biāo)機(jī)器必須要和負(fù)載均衡器能夠聯(lián)通才可以，不可以跨越網(wǎng)段，一般情況下，他們都處于同一個子網(wǎng)中。

“計(jì)算機(jī)要想正確的處理請求，數(shù)據(jù)包中的MAC和IP地址必須要和自己對應(yīng)，所以數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載均衡模式中，真實(shí)服務(wù)器的IP要和負(fù)載均衡器一樣才可以，這也是VIP的用武之地

數(shù)據(jù)包的返回道理類似，只要目標(biāo)機(jī)器的IP和MAC正確，服務(wù)器就可以直接把數(shù)據(jù)包返回，在數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載中，這兩個數(shù)據(jù)并沒有被修改，所以真實(shí)服務(wù)器處理完請求就可以繞過負(fù)載均衡器而直接返回?cái)?shù)據(jù)包，整個的流程如下：

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載

在OSI的網(wǎng)絡(luò)層中，數(shù)據(jù)包中最重要的包含了請求的目標(biāo)IP和來源IP，和數(shù)據(jù)鏈路層道理類似，網(wǎng)絡(luò)層的負(fù)載均衡設(shè)備是通過修改目標(biāo)IP來達(dá)到負(fù)載均衡的目的。交換機(jī)把請求轉(zhuǎn)發(fā)到真實(shí)服務(wù)器之后，由于IP和MAC就是當(dāng)前真實(shí)服務(wù)器IP和MAC，所以數(shù)據(jù)包可以被正確處理。

但是，當(dāng)應(yīng)答數(shù)據(jù)包返回的時候就有問題了，由于數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP被修改為了真實(shí)服務(wù)器IP（原來為負(fù)載均衡器的IP），如果直接返回給來客戶端服務(wù)器，數(shù)據(jù)包將不會得到處理。因此，只能將應(yīng)答數(shù)據(jù)包重新發(fā)回負(fù)載均衡器，負(fù)載均衡器把應(yīng)答IP修改為自己的IP再發(fā)回客戶端服務(wù)器，這樣才可以保證和客戶端服務(wù)器的正常通信。

相比較數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)載來說，通過修改來源IP方式的負(fù)載均衡方式性能是比較低的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包的返回需要再次經(jīng)過負(fù)載均衡器，這不僅使負(fù)載均衡器的工作量增加，而且占用了更多的出口帶寬。

“其實(shí)還有一種數(shù)據(jù)包二次包裝的方式來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載均衡，負(fù)載均衡器在真實(shí)的數(shù)據(jù)包外層又增加了一層數(shù)據(jù)包，然后發(fā)往真實(shí)處理服務(wù)器，有興趣的同學(xué)可以研究一下“IP隧道”

七層負(fù)載

四層負(fù)載均衡通過直接修改數(shù)據(jù)包的方式來達(dá)到負(fù)載均衡功能，此時，客戶端和真實(shí)應(yīng)用服務(wù)器本質(zhì)上維持著同一條TCP通道，或者說，OSI模型的下三層的數(shù)據(jù)包還未到達(dá)真實(shí)服務(wù)器。

當(dāng)數(shù)據(jù)包一旦到達(dá)真實(shí)服務(wù)器，也就是OSI是上四層，數(shù)據(jù)包的MAC和IP地址就無法被修改了。所以基于七層的負(fù)載均衡器只能通過代理的方式把數(shù)據(jù)包發(fā)送給后端真實(shí)的服務(wù)器，這個過程會新建TCP連接，這也是七層負(fù)載均衡性能要比四層負(fù)載均衡器性能要低的重要原因。

而且，由于七層負(fù)載均衡器，無法修改IP和MAC信息，所以應(yīng)答數(shù)據(jù)包只能通過再次返回負(fù)載均衡器的方式來應(yīng)答客戶端服務(wù)器，這同樣會降低負(fù)載均衡器的性能以及占用出口帶寬問題。

由于七層負(fù)載均衡器工作在應(yīng)用層，它能夠明確的感知應(yīng)用層的協(xié)議內(nèi)容，比如最常見的Http協(xié)議。這樣就可以根據(jù)協(xié)議的具體內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)更加靈活的控制規(guī)則，像Nginx最常見的Session粘性規(guī)則，或者對資源的緩存等。

負(fù)載均衡策略

DNS響應(yīng)均衡（Flash DNS）

在Internet上，無論是HTTP、FTP或是其它的服務(wù)請求，客戶端一般都是通過域名解析來找到服務(wù)器確切的IP地址的。在此均衡算法下，分處在不同地理位置的負(fù)載均衡設(shè)備收到同一個客戶端的域名解析請求，并在同一時間內(nèi)把此域名解析成各自相對應(yīng)服務(wù)器的IP地址（即與此負(fù)載均衡設(shè)備在同一位地理位置的服務(wù)器的IP地址）并返回給客戶端，則客戶端將以最先收到的域名解析IP地址來繼續(xù)請求服務(wù)，而忽略其它的IP地址響應(yīng)。在種均衡策略適合應(yīng)用在全局負(fù)載均衡的情況下，對本地負(fù)載均衡是沒有意義的。

輪循均衡（Round Robin）

這是最簡單的一種負(fù)載均衡策略，每次網(wǎng)絡(luò)請求都會依次分配給后端服務(wù)器，即：第一個請求分配給第一臺服務(wù)器，第二個請求分配給第二臺服務(wù)器，以此類推，然后不斷重復(fù)循環(huán)。

如果后端服務(wù)器配置不盡相同，可能會造成有的服務(wù)器負(fù)載過高或者負(fù)載過低的現(xiàn)象。

權(quán)重輪循均衡（Weighted Round Robin）

此策略在輪訓(xùn)的基礎(chǔ)上增加了權(quán)重的概念，根據(jù)服務(wù)器的處理能力分配不同的權(quán)重，處理能力強(qiáng)的權(quán)重會高一些，處理能力低的權(quán)重會低一些，這在一定程度上平衡了服務(wù)器處理能力，也很好的提高了服務(wù)器的利用率，盡量避免了造成服務(wù)器負(fù)載過高或過低的極端情況。

隨機(jī)均衡（Random）

說實(shí)話，這種策略不提也罷，我覺得沒有任何意義，本質(zhì)上和輪訓(xùn)策略沒有什么不同。

一致性哈希均衡（Consistency Hash）

一致性哈希策略其實(shí)是一種比較重要的規(guī)則，負(fù)載均衡器可以根據(jù)請求中的某些數(shù)據(jù)特征保證同樣的請求會分配給同樣的處理服務(wù)器，也就是會話粘性。最常見的，我們在nginx中利用此策略來實(shí)現(xiàn)Session機(jī)制，可以保證同一個用戶的請求被分配到同一臺服務(wù)器上，這種一致性的結(jié)果，就可以做很多事情了，完全可以玩出進(jìn)程內(nèi)緩存的花樣。

響應(yīng)速度均衡（Response Time）

響應(yīng)速度策略是依據(jù)負(fù)載均衡器和真實(shí)服務(wù)器之間的響應(yīng)時間來確定的，這種策略理論上可以自動踢出有故障的服務(wù)器，因?yàn)榉?wù)器超時或者無響應(yīng)，負(fù)載均衡器將不會分配請求到此服務(wù)器。

最少連接數(shù)均衡（Least Connection）

這種方式可以保證每臺真實(shí)服務(wù)器的連接均衡，站在連接數(shù)的維度來說，這才是真正的均衡，但是會造成不同配置的服務(wù)器的過高或者過低負(fù)載的現(xiàn)象發(fā)生。

故障探測

一個好的負(fù)載均衡器一定會有自動故障探測功能，即：當(dāng)后端服務(wù)器發(fā)生問題或者down機(jī)的時候，會自動剔除有問題的服務(wù)器。一般主流的探測方式有以下幾種：

1. Ping偵測：通過ping的方式檢測服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀況，此種方式簡單快速，但只能大致檢測出網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器上的操作系統(tǒng)是否正常，對服務(wù)器上的應(yīng)用服務(wù)檢測就無能為力了。
2. TCP Open偵測：每個服務(wù)都會開放某個通過TCP連接，檢測服務(wù)器上某個TCP端口（如Telnet的23口，HTTP的80口等）是否開放來判斷服務(wù)是否正常。
3. HTTP URL偵測：比如向HTTP服務(wù)器發(fā)出一個對main.html文件的訪問請求，如果收到錯誤信息，則認(rèn)為服務(wù)器出現(xiàn)故障。

寫在最后

負(fù)載均衡已經(jīng)成為了分布式中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，基于四層負(fù)載的高性能和七層負(fù)載的高靈活性，很多公司都是采用混合型負(fù)載均衡，流量的入口處為四層負(fù)載，有的甚至有多層四層負(fù)載，四層負(fù)載之后是七層負(fù)載，然后是真實(shí)服務(wù)器。例如最常用的部署架構(gòu)為：四層的LVS 七層Nginx 真實(shí)服務(wù)器，這也是為了把每層的負(fù)載均衡的優(yōu)勢最大化的一種體現(xiàn)。