【计算机网络】四层负载均衡和七层负载均衡

本文主要是介绍【计算机网络】四层负载均衡和七层负载均衡，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

1、分层方式

首先我们知道，在计算机网络中，常用的协议分层方式：OSI和TCP/IP，以及实际生产中使用的协议划分方式。

在OSI中，各层的职责如下：

应用层：对软件提供接口以使程序能使用网络服务，如事务处理程序、文件传送协议和网络管理等。（HTTP、Telnet、FTP、SMTP）
表示层：程序和网络之间的翻译官，管理数据的解密加密数据转换、格式化和文本压缩。（JPEG、ASCII、GIF、DES、MPEG）
会话层：负责在网络中的两节点之间建立和维持通信，以及提供交互会话的管理功能。（RPC、SQL、NFS）
传输层：提供建立、维护和拆除传送连接的功能；选择网络层提供最合适的服务；在系统之间提供可靠的透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。（TCP、UDP、SPX）
网络层：将网络地址（ip地址）翻译成对应物理地址（网卡地址），并决定如何将数据从发送方路由到接收方。（IP、ICMP、IGMP、IPX、ARP、RARP）
数据链路层：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发。（IEEE 802.3/.2、HDLC、PPP、ATM）
物理层：物理连网媒介，如电缆连线连接器。（RS232、V.35、RJ-45、FDDI）

一、负载均衡

负载均衡（Load Balance）的指将负载（工作任务）进行平衡、分摊到多个操作单元上进行运行，例如FTP服务器、Web服务器、企业核心应用服务器和其它主要任务服务器等，从而协同完成工作任务。负载均衡构建在原有网络结构之上，它提供了一种透明且廉价有效的方法扩展服务器和网络设备的带宽、加强网络数据处理能力、增加吞吐量、提高网络的可用性和灵活性。

负载均衡重点在于由原来的单个节点承接流量，变成多个节点分担流量，减少请求响应时间，提高应用程序的可用性和可伸缩性。

主要划分方式：根据采用的设备对象区分、根据位于OSI中不同层次的划分，这里我们主要讲根据OSI中的层次划分。

• 二层负载均衡（mac地址）：数据链路层，使用虚拟MAC地址方式，外部请求流量经过虚拟MAC地址，负载均衡收到流量请求后分配后端实际的MAC地址进行响应。
• 三层负载均衡（ip地址）：网络层，使用虚拟ip地址方式，外部请求流量经过虚拟IP地址，负载均衡收到流量请求后分配后端实际的IP地址进行响应。
• 四层负载均衡（tcp、udp）：传输层，使用IP+PORT接收外部流量请求，转发到对应的机器上。
• 七层负载均衡（http）：应用层，使用虚拟的URL或IP地址接收外部流量请求，转发到对应的处理服务器。

4.1 四层负载均衡

四层负载均衡器也称为四层交换机，从上面我们知道，四层负载均衡基于三层的负载均衡，发布三层的IP地址（虚拟IP），再加上四层的端口号，从而决定哪些流量需要做负载均衡，是基于IP+PORT的策略。

四层负载均衡主要用于分析IP及TCP/UDP协议，原理如下：

• 通过IP+PORT决定流量的去向。
• 对流量请求进行NAT处理，转发至后台服务器。
• 记录TCP、UDP流量分别是由哪台服务器处理，后续该请求连接的流量都通过该服务器处理。

也就是说，现在，假设应用前有一层四层负载均衡器，那么外部TCP、UDP请求的流量到达具体应用前会在四层负载均衡处进行解析处理。具体如下：

• 外部发送TCP请求进入负载均衡设备。
• 负载均衡设备接收到第一个来自客户端的SYN请求，选择后台服务器，将报文中的目标IP地址进行修改（修改为转发后的后台服务器），转发到该服务器。
• TCP三次握手进行客户端和服务器的连接。

在四层网络数据通信中，应用程序主要通过套接字（Socket） API 接口，使用 TCP 或 UDP 协议进行传输。应用程序向操作系统内核发送请求后，内核负责把数据包传递到传输层，然后将数据封装成 TCP 或 UDP 数据包。传输层将数据包发送到网络层，网络层对 IP 数据包进行封装，然后通过路由协议发送到目的地。网络层会根据协议规则进行负载均衡和路由选择，以确保数据包能够到达目标地址。

常见的四层负载均衡器：

• F5：硬件负载均衡器，成本较高。
• Nginx：轻量级四层负载均衡器，可缓存。（nginx四层是通过upstream模块）
• Haproxy：模拟四层转发。
• LVS（Linux Virtual Server）：即Linux虚拟服务器，是一个比较重量级的四层负载均衡器。

4.2 七层负载均衡

七层负载均衡基于虚拟的URL或主机IP的负载均衡，能够解析应用层的报文。同时，它也支持四层负载均衡的功能，支持四层负载均衡器的功能，而且能解析应用层信息，如HTTP协议、URI、Cookie等信息，原理如下：

• 通过虚拟url或主机IP进行流量识别，根据应用层信息进行解析，决定是否需要进行负载均衡。
• 代理后台服务器与客户端建立连接，如Nginx可代理前后端，与前端客户端TCP连接，与后端服务器建立TCP连接。

在七层网络通信中，应用程序使用更具体的协议（如 HTTP、FTP、SMTP 等）通过套接字（Socket）API 接口进行网络通信。应用程序通过特定的 API 调用，按照指定协议进行数据传输。内核接收到数据后会将数据交给相应的协议模块进行处理。每个协议模块负责解析其对应协议的数据，并根据协议规则进行处理和组装，最终将数据包通过网络层传递到目标地址。

常见的七层负载均衡器：

• Nginx：基于http协议（nginx七层是通过proxy_paas）
• Haproxy：七层代理，会话保持、标记、路径转移等。

4.3 四层和七层负载均衡的区别

• 分层位置：四层负载均衡在传输层及以下，七层负载均衡在应用层及以下。
• 性能：四层负载均衡架构无需解析报文消息内容，在网络吞吐量与处理能力上较高；七层可支持解析应用层报文消息内容，识别URL、Cookie、HTTP header等信息。
• 原理：四层负载均衡是基于ip+port；七层是基于虚拟的URL或主机IP等。
• 功能类比：四层负载均衡类似于路由器；七层类似于代理服务器。
• 安全性：四层负载均衡无法识别DDoS攻击；七层可防御SYN Cookie/Flood攻击。

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