一、簡介

1. ** 所謂四層就是基於IP+埠的負載均衡；七層就是基於URL等應用層信息的負載均衡；**同理，還有基於MAC地址的二層負載均衡和基於IP地址的三層負載均衡。 換句換說，二層負載均衡會通過一個虛擬MAC地址接收請求，然後再分配到真實的MAC地址；三層負載均衡會通過一個虛擬IP地址接收請求，然後再分配到真實的IP地址；四層通過虛擬IP+埠接收請求，然後再分配到真實的伺服器；七層通過虛擬的URL或主機名接收請求，然後再分配到真實的伺服器。
2. ** 所謂的四到七層負載均衡，就是在對後台的伺服器進行負載均衡時，依據四層的信息或七層的信息來決定怎麼樣轉發流量。** 比如四層的負載均衡，就是通過發布三層的IP地址（VIP），然後加四層的埠號，來決定哪些流量需要做負載均衡，對需要處理的流量進行NAT處理，轉發至後台伺服器，並記錄下這個TCP或者UDP的流量是由哪台伺服器處理的，後續這個連接的所有流量都同樣轉發到同一台伺服器處理。七層的負載均衡，就是在四層的基礎上（沒有四層是絕對不可能有七層的），再考慮應用層的特徵，比如同一個Web伺服器的負載均衡，除了根據VIP加80埠辨別是否需要處理的流量，還可根據七層的URL、瀏覽器類別、語言來決定是否要進行負載均衡。舉個例子，如果你的Web伺服器分成兩組，一組是中文語言的，一組是英文語言的，那麼七層負載均衡就可以當用戶來訪問你的域名時，自動辨別用戶語言，然後選擇對應的語言伺服器組進行負載均衡處理。
3. 負載均衡器通常稱為四層交換機或七層交換機。四層交換機主要分析IP層及TCP/UDP層，實現四層流量負載均衡。七層交換機除了支持四層負載均衡以外，還有分析應用層的信息，如HTTP協議URI或Cookie信息。
4. 負載均衡分為L4 switch（四層交換），即在OSI第4層工作，就是TCP層啦。此種Load Balance不理解應用協議（如HTTP/FTP/MySQL等等）。例子：LVS，F5。
5. 另一種叫做L7 switch（七層交換），OSI的最高層第7層，應用層。此時，該Load Balancer能理解應用協議。例子： haproxy，MySQL Proxy。

注意：上面的很多Load Balancer既可以做四層交換，也可以做七層交換。

二、區別

1. 技術原理上
   　所謂四層負載均衡，也就是主要通過報文中的目標地址和埠，再加上負載均衡設備設置的伺服器選擇方式，決定最終選擇的內部伺服器。以常見的TCP為例，負載均衡設備在接收到第一個來自客戶端的SYN 請求時，即通過上述方式選擇一個最佳的伺服器，並對報文中目標IP地址進行修改(改為後端伺服器IP），直接轉發給該伺服器。TCP的連接建立，即三次握手是客戶端和伺服器直接建立的，負載均衡設備只是起到一個類似路由器的轉發動作。在某些部署情況下，為保證伺服器回包可以正確返回給負載均衡設備，在轉發報文的同時可能還會對報文原來的源地址進行修改。 所謂七層負載均衡，也稱為「內容交換」，也就是主要通過報文中的真正有意義的應用層內容，再加上負載均衡設備設置的伺服器選擇方式，決定最終選擇的內部伺服器。以常見的TCP為例，負載均衡設備如果要根據真正的應用層內容再選擇伺服器，只能先代理最終的伺服器和客戶端建立連接(三次握手)後，才可能接受到客戶端發送的真正應用層內容的報文，然後再根據該報文中的特定欄位，再加上負載均衡設備設置的伺服器選擇方式，決定最終選擇的內部伺服器。負載均衡設備在這種情況下，更類似於一個代理伺服器。負載均衡和前端的客戶端以及後端的伺服器會分別建立TCP連接。所以從這個技術原理上來看，七層負載均衡明顯的對負載均衡設備的要求更高，處理七層的能力也必然會低於四層模式的部署方式。
2. 應用場景
   七層應用負載的好處，是使得整個網路更智能化。例如訪問一個網站的用戶流量，可以通過七層的方式，將對圖片類的請求轉發到特定的圖片伺服器並可以使用緩存技術；將對文字類的請求可以轉發到特定的文字伺服器並可以使用壓縮技術。當然這只是七層應用的一個小案例，從技術原理上，這種方式可以對客戶端的請求和伺服器的響應進行任意意義上的修改，極大的提升了應用系統在網路層的靈活性。很多在後台，例如Nginx或者Apache上部署的功能可以前移到負載均衡設備上，例如客戶請求中的Header重寫，伺服器響應中的關鍵字過濾或者內容插入等功能。
   另外一個常常被提到功能就是安全性。網路中最常見的SYN Flood攻擊，即黑客控制眾多源客戶端，使用虛假IP地址對同一目標發送SYN攻擊，通常這種攻擊會大量發送SYN報文，耗盡伺服器上的相關資源，以達到Denial of Service(DoS)的目的。從技術原理上也可以看出，四層模式下這些SYN攻擊都會被轉發到後端的伺服器上；而七層模式下這些SYN攻擊自然在負載均衡設備上就截止，不會影響後台伺服器的正常運營。另外負載均衡設備可以在七層層面設定多種策略，過濾特定報文，例如SQL Injection等應用層面的特定攻擊手段，從應用層面進一步提高系統整體安全。
   現在的7層負載均衡，主要還是著重於應用HTTP協議，所以其應用範圍主要是眾多的網站或者內部信息平台等基於B/S開發的系統。 4層負載均衡則對應其他TCP應用，例如基於C/S開發的ERP等系統。

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三、Nginx、LVS及HAProxy負載均衡軟體的優缺點

負載均衡 （Load Balancing） 建立在現有網路結構之上，它提供了一種廉價有效透明的方法擴展網路設備和伺服器的帶寬、增加吞吐量、加強網路數據處理能力，同時能夠提高網路的靈活性和可用性。

Nginx/LVS/HAProxy是目前使用最廣泛的三種負載均衡軟體。

一般對負載均衡的使用是隨著網站規模的提升根據不同的階段來使用不同的技術。具體的應用需求還得具體分析，如果是中小型的Web應用，比如日PV小於1000萬，用Nginx就完全可以了；如果機器不少，可以用DNS輪詢，LVS所耗費的機器還是比較多的；大型網站或重要的服務，且伺服器比較多時，可以考慮用LVS。

一種是通過硬體來進行，常見的硬體有比較昂貴的F5和Array等商用的負載均衡器，它的優點就是有專業的維護團隊來對這些服務進行維護、缺點就是花銷太大，所以對於規模較小的網路服務來說暫時還沒有需要使用；另外一種就是類似於Nginx/LVS/HAProxy的基於 Linux的開源免費的負載均衡軟體，這些都是通過軟體級別來實現，所以費用非常低廉。

目前關於網站架構一般比較合理流行的架構方案：Web前端採用Nginx/HAProxy+ Keepalived作負載均衡器；後端採用 MySQL資料庫一主多從和讀寫分離，採用LVS+Keepalived的架構。當然要根據項目具體需求制定方案。

下面說說各自的特點和適用場合。

Nginx的優點是：

1. 工作在網路的7層之上，可以針對http應用做一些分流的策略，比如針對域名、目錄結構，它的正則規則比HAProxy更為強大和靈活，這也是它目前廣泛流行的主要原因之一，Nginx單憑這點可利用的場合就遠多於LVS了。
2. Nginx對網路穩定性的依賴非常小，理論上能ping通就就能進行負載功能，這個也是它的優勢之一；相反LVS對網路穩定性依賴比較大。
3. Nginx安裝和配置比較簡單，測試起來比較方便，它基本能把錯誤用日誌列印出來。LVS的配置、測試就要花比較長的時間了，LVS對網路依賴比較大。
4. 可以承擔高負載壓力且穩定，在硬體不差的情況下一般能支撐幾萬次的並發量，負載度比LVS相對小些。
5. Nginx可以通過埠檢測到伺服器內部的故障，比如根據伺服器處理網頁返回的狀態碼、超時等等，並且會把返回錯誤的請求重新提交到另一個節點，不過其中缺點就是不支持url來檢測。比如用戶正在上傳一個文件，而處理該上傳的節點剛好在上傳過程中出現故障，Nginx會把上傳切到另一台伺服器重新處理，而LVS就直接斷掉了，如果是上傳一個很大的文件或者很重要的文件的話，用戶可能會因此而不滿。
6. Nginx不僅僅是一款優秀的負載均衡器/反向代理軟體，它同時也是功能強大的Web應用伺服器。LNMP也是近幾年非常流行的web架構，在高流量的環境中穩定性也很好。
7. Nginx現在作為Web反向加速緩存越來越成熟了，速度比傳統的Squid伺服器更快，可以考慮用其作為反向代理加速器。
8. Nginx可作為中層反向代理使用，這一層面Nginx基本上無對手，唯一可以對比Nginx的就只有 lighttpd了，不過 lighttpd目前還沒有做到Nginx完全的功能，配置也不那麼清晰易讀，社區資料也遠遠沒Nginx活躍。
9. Nginx也可作為靜態網頁和圖片伺服器，這方面的性能也無對手。還有Nginx社區非常活躍，第三方模塊也很多。

Nginx的缺點是：

1. Nginx僅能支持http、https和Email協議，這樣就在適用範圍上面小些，這個是它的缺點。
2. 對後端伺服器的健康檢查，只支持通過埠來檢測，不支持通過url來檢測。不支持Session的直接保持，但能通過ip_hash來解決。

LVS：使用Linux內核集群實現一個高性能、高可用的負載均衡伺服器，它具有很好的可伸縮性（Scalability)、可靠性（Reliability)和可管理性（Manageability)。

LVS的優點是：

1. 抗負載能力強、是工作在網路4層之上僅作分發之用，沒有流量的產生，這個特點也決定了它在負載均衡軟體里的性能最強的，對內存和cpu資源消耗比較低。
2. 配置性比較低，這是一個缺點也是一個優點，因為沒有可太多配置的東西，所以並不需要太多接觸，大大減少了人為出錯的幾率。
3. 工作穩定，因為其本身抗負載能力很強，自身有完整的雙機熱備方案，如LVS+Keepalived。
4. 無流量，LVS只分發請求，而流量並不從它本身出去，這點保證了均衡器IO的性能不會受到大流量的影響。
5. 應用範圍比較廣，因為LVS工作在4層，所以它幾乎可以對所有應用做負載均衡，包括http、資料庫、在線聊天室等等。

LVS的缺點是：

1. 軟體本身不支持正則表達式處理，不能做動靜分離；而現在許多網站在這方面都有較強的需求，這個是Nginx/HAProxy+Keepalived的優勢所在。
2. 如果是網站應用比較龐大的話，LVS/DR+Keepalived實施起來就比較複雜了，特別後面有 Windows Server的機器的話，如果實施及配置還有維護過程就比較複雜了，相對而言，Nginx/HAProxy+Keepalived就簡單多了。

HAProxy的特點是：

1. HAProxy也是支持虛擬主機的。
2. HAProxy的優點能夠補充Nginx的一些缺點，比如支持Session的保持，Cookie的引導；同時支持通過獲取指定的url來檢測後端伺服器的狀態。
3. HAProxy跟LVS類似，本身就只是一款負載均衡軟體；單純從效率上來講HAProxy會比Nginx有更出色的負載均衡速度，在並發處理上也是優於Nginx的。
4. HAProxy支持TCP協議的負載均衡轉發，可以對MySQL讀進行負載均衡，對後端的MySQL節點進行檢測和負載均衡，大家可以用LVS+Keepalived對MySQL主從做負載均衡。
5. HAProxy負載均衡策略非常多，HAProxy的負載均衡演算法現在具體有如下8種：
   ① roundrobin，表示簡單的輪詢，這個不多說，這個是負載均衡基本都具備的；② static-rr，表示根據權重，建議關注；③ leastconn，表示最少連接者先處理，建議關注；④ source，表示根據請求源IP，這個跟Nginx的IP_hash機制類似，我們用其作為解決session問題的一種方法，建議關注；⑤ ri，表示根據請求的URI；⑥ rl_param，表示根據請求的URl參數』balance url_param』 requires an URL parameter name；⑦ hdr(name)，表示根據HTTP請求頭來鎖定每一次HTTP請求；⑧ rdp-cookie(name)，表示根據據cookie(name)來鎖定並哈希每一次TCP請求。

Nginx和LVS對比的總結：

1. Nginx工作在網路的7層，所以它可以針對http應用本身來做分流策略，比如針對域名、目錄結構等，相比之下LVS並不具備這樣的功能，所以Nginx單憑這點可利用的場合就遠多於LVS了；但Nginx有用的這些功能使其可調整度要高於LVS，所以經常要去觸碰觸碰，觸碰多了，人為出問題的幾率也就會大。
2. Nginx對網路穩定性的依賴較小，理論上只要ping得通，網頁訪問正常，Nginx就能連得通，這是Nginx的一大優勢！Nginx同時還能區分內外網，如果是同時擁有內外網的節點，就相當於單機擁有了備份線路；LVS就比較依賴於網路環境，目前來看伺服器在同一網段內並且LVS使用direct方式分流，效果較能得到保證。另外注意，LVS需要向託管商至少申請多一個ip來做Visual IP，貌似是不能用本身的IP來做VIP的。要做好LVS管理員，確實得跟進學習很多有關網路通信方面的知識，就不再是一個HTTP那麼簡單了。
3. Nginx安裝和配置比較簡單，測試起來也很方便，因為它基本能把錯誤用日誌列印出來。LVS的安裝和配置、測試就要花比較長的時間了；LVS對網路依賴比較大，很多時候不能配置成功都是因為網路問題而不是配置問題，出了問題要解決也相應的會麻煩得多。
4. Nginx也同樣能承受很高負載且穩定，但負載度和穩定度差LVS還有幾個等級：Nginx處理所有流量所以受限於機器IO和配置；本身的bug也還是難以避免的。
5. Nginx可以檢測到伺服器內部的故障，比如根據伺服器處理網頁返回的狀態碼、超時等等，並且會把返回錯誤的請求重新提交到另一個節點。目前LVS中 ldirectd也能支持針對伺服器內部的情況來監控，但LVS的原理使其不能重發請求。比如用戶正在上傳一個文件，而處理該上傳的節點剛好在上傳過程中出現故障，Nginx會把上傳切到另一台伺服器重新處理，而LVS就直接斷掉了，如果是上傳一個很大的文件或者很重要的文件的話，用戶可能會因此而惱火。
6. Nginx對請求的非同步處理可以幫助節點伺服器減輕負載，假如使用 apache直接對外服務，那麼出現很多的窄帶鏈接時apache伺服器將會佔用大 量內存而不能釋放，使用多一個Nginx做apache代理的話，這些窄帶鏈接會被Nginx擋住，apache上就不會堆積過多的請求，這樣就減少了相當多的資源佔用。這點使用squid也有相同的作用，即使squid本身配置為不緩存，對apache還是有很大幫助的。
7. Nginx能支持http、https和email（email的功能比較少用），LVS所支持的應用在這點上會比Nginx更多。在使用上，一般最前端所採取的策略應是LVS，也就是DNS的指嚮應為LVS均衡器，LVS的優點令它非常適合做這個任務。重要的ip地址，最好交由LVS託管，比如資料庫的 ip、webservice伺服器的ip等等，這些ip地址隨著時間推移，使用面會越來越大，如果更換ip則故障會接踵而至。所以將這些重要ip交給 LVS託管是最為穩妥的，這樣做的唯一缺點是需要的VIP數量會比較多。Nginx可作為LVS節點機器使用，一是可以利用Nginx的功能，二是可以利用Nginx的性能。當然這一層面也可以直接使用squid，squid的功能方面就比Nginx弱不少了，性能上也有所遜色於Nginx。Nginx也可作為中層代理使用，這一層面Nginx基本上無對手，唯一可以撼動Nginx的就只有lighttpd了，不過lighttpd目前還沒有能做到 Nginx完全的功能，配置也不那麼清晰易讀。另外，中層代理的IP也是重要的，所以中層代理也擁有一個VIP和LVS是最完美的方案了。具體的應用還得具體分析，如果是比較小的網站（日PV小於1000萬），用Nginx就完全可以了，如果機器也不少，可以用DNS輪詢，LVS所耗費的機器還是比較多的；大型網站或者重要的服務，機器不發愁的時候，要多多考慮利用LVS。

現在對網路負載均衡的使用是隨著網站規模的提升根據不同的階段來使用不同的技術：

第一階段：利用Nginx或HAProxy進行單點的負載均衡，這一階段伺服器規模剛脫離開單伺服器、單資料庫的模式，需要一定的負載均衡，但是仍然規模較小沒有專業的維護團隊來進行維護，也沒有需要進行大規模的網站部署。這樣利用Nginx或HAproxy就是第一選擇，此時這些東西上手快， 配置容易，在七層之上利用HTTP協議就可以。這時是第一選擇。

第二階段：隨著網路服務進一步擴大，這時單點的Nginx已經不能滿足，這時使用LVS或者商用Array就是首要選擇，Nginx此時就作為LVS或者Array的節點來使用，具體LVS或Array的是選擇是根據公司規模和預算來選擇，Array的應用交付功能非常強大，本人在某項目中使用過，性價比也遠高於F5，商用首選，但是一般來說這階段相關人才跟不上業務的提升，所以購買商業負載均衡已經成為了必經之路。

第三階段：這時網路服務已經成為主流產品，此時隨著公司知名度也進一步擴展，相關人才的能力以及數量也隨之提升，這時無論從開發適合自身產品的定製，以及降低成本來講開源的LVS，已經成為首選，這時LVS會成為主流。

最終形成比較理想的基本架構為：Array/LVS — Nginx/Haproxy — Squid/Varnish — AppServer。