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17. 设计模式
17.1.1. 设计原则
17.1.24. 解释器模式
18. 负载均衡
18.1.1.1. 四层负载均衡#xff08;目标地址和端口交换#xff09;
18.1.1.2. 七层负载均衡#xff08;内容交换#xff09;
18.1.2. 负载均衡算法/策略
18.1.2.1. 轮循均衡#xff08;Roun…目录
17. 设计模式
17.1.1. 设计原则
17.1.24. 解释器模式
18. 负载均衡
18.1.1.1. 四层负载均衡目标地址和端口交换
18.1.1.2. 七层负载均衡内容交换
18.1.2. 负载均衡算法/策略
18.1.2.1. 轮循均衡Round Robin
18.1.2.2. 权重轮循均衡Weighted Round Robin
18.1.2.3. 随机均衡Random
18.1.2.4. 权重随机均衡Weighted Random
18.1.2.5. 响应速度均衡Response Time 探测时间
18.1.2.6. 最少连接数均衡Least Connection
18.1.2.7. 处理能力均衡CPU、内存
18.1.2.8. DNS 响应均衡Flash DNS
18.1.2.9. 哈希算法
18.1.2.10. IP 地址散列保证客户端服务器对应关系稳定
18.1.2.11.URL 散列
18.1.3. LVS
18.1.3.1. LVS 原理
IPVS
18.1.3.1. LVS NAT 模式
特点
缺点
缺点
18.1.3.2. LVS DR 模式局域网改写 mac 地址
总结
优点
缺点
18.1.3.3. LVS TUN 模式IP 封装、跨网段
总结
优点
缺点
18.1.3.4. LVS FULLNAT 模式
总结
18.1.4. Keepalive
18.1.5. Nginx 反向代理负载均衡
往期快速传送门 17. 设计模式
17.1.1. 设计原则
17.1.2. 工厂方法模式
17.1.3. 抽象工厂模式
17.1.4. 单例模式
17.1.5. 建造者模式
17.1.6. 原型模式
17.1.7. 适配器模式
17.1.8. 装饰器模式
17.1.9. 代理模式
17.1.10. 外观模式
17.1.11. 桥接模式
17.1.12. 组合模式
17.1.13. 享元模式
17.1.14. 策略模式
17.1.15. 模板方法模式
17.1.16. 观察者模式
17.1.17. 迭代子模式
17.1.18. 责任链模式
17.1.19. 命令模式
17.1.20. 备忘录模式
7.1.21. 状态模式
17.1.22. 访问者模式
17.1.23. 中介者模式
17.1.24. 解释器模式
18. 负载均衡
负载均衡 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。
18.1.1. 四层负载均衡 vs 七层负载均衡 18.1.1.1. 四层负载均衡目标地址和端口交换
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。实现四层负载均衡的软件有
F5硬件负载均衡器功能很好但是成本很高。
lvs重量级的四层负载软件。
nginx轻量级的四层负载软件带缓存功能正则表达式较灵活。
haproxy模拟四层转发较灵活。
18.1.1.2. 七层负载均衡内容交换
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。
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。实现七层负载均衡的软件有
haproxy天生负载均衡技能全面支持七层代理会话保持标记路径转移
nginx只在 http 协议和 mail 协议上功能比较好性能与 haproxy 差不多
apache功能较差
Mysql proxy功能尚可。
18.1.2. 负载均衡算法/策略
18.1.2.1. 轮循均衡Round Robin
每一次来自网络的请求轮流分配给内部中的服务器从 1 至 N 然后重新开始。此种均衡算法适合 于服务器组中的所有服务器都有相同的软硬件配置并且平均服务请求相对均衡的情况。
18.1.2.2. 权重轮循均衡Weighted Round Robin
根据服务器的不同处理能力给每个服务器分配不同的权值使其能够接受相应权值数的服务请 求。例如服务器 A 的权值被设计成 1B 的权值是 3C 的权值是 6则服务器 A、B、C 将分 别接受到 10%、30、60的服务请求。此种均衡算法能确保高性能的服务器得到更多的使用 率避免低性能的服务器负载过重。
18.1.2.3. 随机均衡Random
把来自网络的请求随机分配给内部中的多个服务器。
18.1.2.4. 权重随机均衡Weighted Random
此种均衡算法类似于权重轮循算法不过在处理请求分担时是个随机选择的过程。
18.1.2.5. 响应速度均衡Response Time 探测时间
负载均衡设备对内部各服务器发出一个探测请求例如 Ping然后根据内部中各服务器对探测 请求的最快响应时间来决定哪一台服务器来响应客户端的服务请求。此种均衡算法能较好的反映 服务器的当前运行状态但这最快响应时间仅仅指的是负载均衡设备与服务器间的最快响应时间而不是客户端与服务器间的最快响应时间。
18.1.2.6. 最少连接数均衡Least Connection
最少连接数均衡算法对内部中需负载的每一台服务器都有一个数据记录记录当前该服务器正在 处理的连接数量当有新的服务连接请求时将把当前请求分配给连接数最少的服务器使均衡 更加符合实际情况负载更加均衡。此种均衡算法适合长时处理的请求服务如 FTP。
18.1.2.7. 处理能力均衡CPU、内存
此种均衡算法将把服务请求分配给内部中处理负荷根据服务器 CPU 型号、CPU 数量、内存大小 及当前连接数等换算而成最轻的服务器由于考虑到了内部服务器的处理能力及当前网络运行 状况所以此种均衡算法相对来说更加精确尤其适合运用到第七层应用层负载均衡的情况 下。
18.1.2.8. DNS 响应均衡Flash DNS
在此均衡算法下分处在不同地理位置的负载均衡设备收到同一个客户端的域名解析请求并在 同一时间内把此域名解析成各自相对应服务器的 IP 地址并返回给客户端则客户端将以最先收到 的域名解析 IP 地址来继续请求服务而忽略其它的 IP 地址响应。在种均衡策略适合应用在全局负 载均衡的情况下对本地负载均衡是没有意义的。
18.1.2.9. 哈希算法
一致性哈希一致性 Hash相同参数的请求总是发到同一提供者。当某一台提供者挂时原本发往 该提供者的请求基于虚拟节点平摊到其它提供者不会引起剧烈变动。
18.1.2.10. IP 地址散列保证客户端服务器对应关系稳定
通过管理发送方 IP 和目的地 IP 地址的散列将来自同一发送方的分组(或发送至同一目的地的分 组)统一转发到相同服务器的算法。当客户端有一系列业务需要处理而必须和一个服务器反复通信 时该算法能够以流(会话)为单位保证来自相同客户端的通信能够一直在同一服务器中进行处 理。
18.1.2.11.URL 散列
通过管理客户端请求 URL 信息的散列将发送至相同 URL 的请求转发至同一服务器的算法。
18.1.3. LVS
18.1.3.1. LVS 原理
IPVS
LVS 的 IP 负载均衡技术是通过 IPVS 模块来实现的IPVS 是 LVS 集群系统的核心软件它的主要 作用是安装在 Director Server 上同时在 Director Server 上虚拟出一个 IP 地址用户必须通 过这个虚拟的 IP 地址访问服务器。这个虚拟 IP 一般称为 LVS 的 VIP即 Virtual IP。访问的请求 首先经过 VIP 到达负载调度器然后由负载调度器从 Real Server 列表中选取一个服务节点响应用 户的请求。 在用户的请求到达负载调度器后调度器如何将请求发送到提供服务的 Real Server 节 点而 Real Server 节点如何返回数据给用户是 IPVS 实现的重点技术。 ipvs 工作于内核空间主要用于使用户定义的策略生效 ipvsadm : 工作于用户空间主要用于用户定义和管理集群服务的工具 ipvs 工作于内核空间的 INPUT 链上当收到用户请求某集群服务时经过 PREROUTING 链经 检查本机路由表送往 INPUT 链在进入 netfilter 的 INPUT 链时ipvs 强行将请求报文通过 ipvsadm 定义的集群服务策略的路径改为 FORWORD 链将报文转发至后端真实提供服务的主机。
18.1.3.1. LVS NAT 模式 ①.客户端将请求发往前端的负载均衡器请求报文源地址是 CIP(客户端 IP),后面统称为 CIP)目 标地址为 VIP(负载均衡器前端地址后面统称为 VIP)。
②.负载均衡器收到报文后发现请求的是在规则里面存在的地址那么它将客户端请求报文的目 标地址改为了后端服务器的 RIP 地址并将报文根据算法发送出去。
③.报文送到 Real Server 后由于报文的目标地址是自己所以会响应该请求并将响应报文返还 给 LVS。
④.然后 lvs 将此报文的源地址修改为本机并发送给客户端。
注意在 NAT 模式中Real Server 的网关必须指向 LVS否则报文无法送达客户端
特点
1、NAT 技术将请求的报文和响应的报文都需要通过 LB 进行地址改写因此网站访问量比较大的 时候 LB 负载均衡调度器有比较大的瓶颈一般要求最多之能 10-20 台节点
2、只需要在 LB 上配置一个公网 IP 地址就可以了。
3、每台内部的 realserver 服务器的网关地址必须是调度器 LB 的内网地址。
4、NAT 模式支持对 IP 地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。 优点 集群中的物理服务器可以使用任何支持 TCP/IP 操作系统只有负载均衡器需要一个合法的 IP 地 址。
缺点
集群中的物理服务器可以使用任何支持 TCP/IP 操作系统只有负载均衡器需要一个合法的 IP 地 址。
缺点
扩展性有限。当服务器节点普通 PC 服务器增长过多时,负载均衡器将成为整个系统的瓶颈因 为所有的请求包和应答包的流向都经过负载均衡器。当服务器节点过多时大量的数据包都交汇 在负载均衡器那速度就会变慢
18.1.3.2. LVS DR 模式局域网改写 mac 地址 ①.客户端将请求发往前端的负载均衡器请求报文源地址是 CIP目标地址为 VIP。
②.负载均衡器收到报文后发现请求的是在规则里面存在的地址那么它将客户端请求报文的源 MAC 地址改为自己 DIP 的 MAC 地址目标 MAC 改为了 RIP 的 MAC 地址并将此包发送给 RS。
③.RS 发现请求报文中的目的 MAC 是自己就会将次报文接收下来处理完请求报文后将响应 报文通过 lo 接口送给 eth0 网卡直接发送给客户端。 注意需要设置 lo 接口的 VIP 不能响应本地网络内的 arp 请求。
总结
1、通过在调度器 LB 上修改数据包的目的 MAC 地址实现转发。注意源地址仍然是 CIP目的地址 仍然是 VIP 地址。
2、请求的报文经过调度器而 RS 响应处理后的报文无需经过调度器 LB因此并发访问量大时使 用效率很高和 NAT 模式比
3、因为 DR 模式是通过 MAC 地址改写机制实现转发因此所有 RS 节点和调度器 LB 只能在一个 局域网里面
4、RS 主机需要绑定 VIP 地址在 LO 接口掩码 32 位上并且需要配置 ARP 抑制。
5、RS 节点的默认网关不需要配置成 LB而是直接配置为上级路由的网关能让 RS 直接出网就 可以。
6、由于 DR 模式的调度器仅做 MAC 地址的改写所以调度器 LB 就不能改写目标端口那么 RS 服务器就得使用和 VIP 相同的端口提供服务。
7、直接对外的业务比如 WEB 等RS 的 IP 最好是使用公网 IP。对外的服务比如数据库等最好 使用内网 IP。
优点
和 TUN隧道模式一样负载均衡器也只是分发请求应答包通过单独的路由方法返回给客户 端。与 VS-TUN 相比VS-DR 这种实现方式不需要隧道结构因此可以使用大多数操作系统做为 物理服务器。
DR 模式的效率很高但是配置稍微复杂一点因此对于访问量不是特别大的公司可以用 haproxy/nginx取代。日1000-2000W PV或者并发请求1万一下都可以考虑用haproxy/nginx。
缺点
所有 RS 节点和调度器 LB 只能在一个局域网里面
18.1.3.3. LVS TUN 模式IP 封装、跨网段 ①.客户端将请求发往前端的负载均衡器请求报文源地址是 CIP目标地址为 VIP。
②.负载均衡器收到报文后发现请求的是在规则里面存在的地址那么它将在客户端请求报文的 首部再封装一层 IP 报文,将源地址改为 DIP目标地址改为 RIP,并将此包发送给 RS。
③.RS 收到请求报文后会首先拆开第一层封装,然后发现里面还有一层 IP 首部的目标地址是自己 lo 接口上的 VIP所以会处理次请求报文并将响应报文通过 lo 接口送给 eth0 网卡直接发送给客 户端。
注意需要设置 lo 接口的 VIP 不能在共网上出现。
总结
1.TUNNEL 模式必须在所有的 realserver 机器上面绑定 VIP 的 IP 地址
2.TUNNEL 模式的 vip ------realserver 的包通信通过 TUNNEL 模式不管是内网和外网都能通 信所以不需要 lvs vip 跟 realserver 在同一个网段内。
3.TUNNEL 模式 realserver 会把 packet 直接发给 client 不会给 lvs 了
4.TUNNEL 模式走的隧道模式所以运维起来比较难所以一般不用。
优点
负载均衡器只负责将请求包分发给后端节点服务器而 RS 将应答包直接发给用户。所以减少了 负载均衡器的大量数据流动负载均衡器不再是系统的瓶颈就能处理很巨大的请求量这种方 式一台负载均衡器能够为很多 RS 进行分发。而且跑在公网上就能进行不同地域的分发。
缺点
隧道模式的 RS 节点需要合法 IP这种方式需要所有的服务器支持”IP Tunneling”(IP Encapsulation)协议服务器可能只局限在部分 Linux 系统上.
18.1.3.4. LVS FULLNAT 模式
无论是 DR 还是 NAT 模式不可避免的都有一个问题LVS 和 RS 必须在同一个 VLAN 下否则 LVS 无法作为 RS 的网关。这引发的两个问题是
1、同一个 VLAN 的限制导致运维不方便跨 VLAN 的 RS 无法接入。
2、LVS 的水平扩展受到制约。当 RS 水平扩容时总有一天其上的单点 LVS 会成为瓶颈。 Full-NAT 由此而生解决的是 LVS 和 RS 跨 VLAN 的问题而跨 VLAN 问题解决后LVS 和 RS 不再存在 VLAN 上的从属关系可以做到多个 LVS 对应多个 RS解决水平扩容的问题。 Full-NAT 相比 NAT 的主要改进是在 SNAT/DNAT 的基础上加上另一种转换转换过程如下 1. 在包从 LVS 转到 RS 的过程中源地址从客户端 IP 被替换成了 LVS 的内网 IP。内网 IP 之间 可以通过多个交换机跨 VLAN 通信。目标地址从 VIP 修改为 RS IP.
2. 当 RS 处理完接受到的包处理完成后返回时将目标地址修改为 LVS ip原地址修改为 RS IP最终将这个包返回给 LVS 的内网 IP这一步也不受限于 VLAN。
3. LVS 收到包后在 NAT 模式修改源地址的基础上再把 RS 发来的包中的目标地址从 LVS 内 网 IP 改为客户端的 IP,并将原地址修改为 VIP。 Full-NAT 主要的思想是把网关和其下机器的通信改为了普通的网络通信从而解决了跨 VLAN 的问题。采用这种方式LVS 和 RS 的部署在 VLAN 上将不再有任何限制大大提高了运维部署的 便利性。
总结
1. FULL NAT 模式不需要 LBIP 和 realserver ip 在同一个网段
2. full nat 因为要更新 sorce ip 所以性能正常比 nat 模式下降 10%
18.1.4. Keepalive
keepalive 起初是为 LVS 设计的专门用来监控 lvs 各个服务节点的状态后来加入了 vrrp 的功 能因此除了 lvs也可以作为其他服务nginxhaproxy的高可用软件。VRRP 是 virtual router redundancy protocal虚拟路由器冗余协议的缩写。VRRP 的出现就是为了解决静态路 由出现的单点故障它能够保证网络可以不间断的稳定的运行。所以 keepalive 一方面具有 LVS cluster node healthcheck 功能另一方面也具有 LVS director failover。
18.1.5. Nginx 反向代理负载均衡
普通的负载均衡软件如 LVS其实现的功能只是对请求数据包的转发、传递从负载均衡下的节 点服务器来看接收到的请求还是来自访问负载均衡器的客户端的真实用户而反向代理就不一样了反向代理服务器在接收访问用户请求后会代理用户 重新发起请求代理下的节点服务器 最后把数据返回给客户端用户。在节点服务器看来访问的节点服务器的客户端用户就是反向代 理服务器而非真实的网站访问用户。 Java核心知识点整理大全-笔记_希斯奎的博客-CSDN博客
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