实现高效响应与稳定性：探究 Linux 三层负载均衡技术 (linux 三层负载均衡)
随着信息技术的快速发展，互联网应用的数量不断增长，为了满足用户的需求，同时提高系统的可用性和稳定性，引入负载均衡成为了必然趋势。在负载均衡方案中，三层负载均衡技术已成为主流的选项之一，尤其是在 Linux 系统中，得到了广泛的应用。
一、三层负载均衡技术的概念及工作原理
三层负载均衡技术是指在网络架构中，分为三个层次：应用层、传输层和网络层。其中，应用层主要负责处理用户请求和响应；传输层主要负责负载均衡策略的实现和协议转发；网络层主要负责路由选择和数据交换。三层负载均衡技术将负载均衡策略实现在传输层，通过分配连接给不同的后端服务器，并将请求转发到指定的服务器上，从而实现了负载均衡的目的。
实现三层负载均衡技术有多种方式，其中 Nginx、HAProxy、LVS 等常见的负载均衡软件都是基于三层负载均衡技术实现的。它们的工作流程主要包括以下几个步骤：
1. 通过监听端口接收客户端请求，按照负载均衡策略选择一台后端服务器；
2. 将客户端请求转发到选择的后端服务器；
3. 后端服务器处理请求并返回响应；
4. 负载均衡软件将响应返回给客户端。
二、实现高效响应的优化技术
三层负载均衡技术可以有效提高系统的性能和稳定性，但是如何实现高效响应是构建高可用系统的关键所在。以下是一些三层负载均衡技术的优化措施：
1. 使用SNAT或DNAT
服务器直接返回的响应报文可能无法识别源 IP，这将使负载均衡器无法将客户端响应正确地路由回去。因此，我们需要使用SNAT或DNAT技术，将服务器返回的响应报文重写为负载均衡器的 IP 地址，并将负载均衡器的 IP 地址替换为源 IP 地址，这样才能确保客户端能够正确地接收响应。
2. 负载均衡算法
负载均衡算法直接决定了系统的性能和稳定性，根据不同的业务场景选择不同的负载均衡算法对于提升系统性能非常重要。目前常用的负载均衡算法有轮询、加权轮询、最小连接数、源 IP 哈希等。
3. 设置连接超时时间
负载均衡器可以设置连接超时时间，防止后端服务器出现连接请求超时的问题。通过设置连接超时时间，可以及时释放空闲的连接，避免浪费服务器资源，提高系统的性能和稳定性。
4. 健康检查机制
健康检查机制可以根据后端服务器的状态判断服务器是否可用，并且在发现不可用的服务器时，做出相应的调度，将请求分发到其他可用的服务器。目前常见的健康检查方式主要有 TCP、HTTP、ICMP 等多种方式。
三、稳定性优化技术
稳定性是构建高可用系统的重要指标之一，要想构建高稳定性的系统，就需要引入一些技术手段，如下：
1. 避免单点故障
系统中的单点故障会导致整个系统失效。要避免单点故障，可以采用双机热备或者多机集群的方式，保证系统中的每个节点都能够正常工作。
2. 防止故障扩散
故障难免会发生，如何避免故障扩散是提高系统稳定性的关键所在。在负载均衡系统中，可以采用多副本备份、故障切换、自动恢复等方式解决故障，并且对于不可避免的故障，需要提前做好足够的预案，确保系统能够快速恢复。
3. 监控系统运行状态
通过实时监控系统的运行状态，能够快速发现系统中存在的问题，并及时做出相应的调整。在负载均衡系统中，需要采用多样化的监控手段，如邮件、短信、微信等多种方式实现监控告警，确保及时发现和处理问题。
三层负载均衡技术在实现高效响应和稳定性方面都有很好的优势。在构建高可用系统时，我们需要根据实际业务场景选择不同的负载均衡解决方案，并结合实际运维经验，逐步完善系统优化措施，以提升系统的性能和稳定性，为用户提供更好的体验。
相关问题拓展阅读：
lvs负载均衡（简介，三种工作模式，四种常用算法）
一，lvs简介
LVS是Linux Virtual Server的简称，也就是Linux虚拟服务器，是一个由章文嵩博士发起的自由软件项目，官方站点是：
。现在LVS已经是Linux标准内核的一部分，在Linux2.4内核以前，使用LVS时必须重新编译内核以支持LVS功能模块，但是从Linux2.4内核心之后，已经完全内置了LVS的各个功能模块，无需给内核打任何补丁，可以直接使用LVS提供的各种功能。使用LVS技术要达到的目标是：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能，高可用的服务器群集，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以兄棚野低廉的成本实现更优的服务性能。
二，三种工作模式
1、基于NAT的LVS模式负载均衡
也就是网络地址翻译技术实现虚拟服务器，当用户请求到达调度器时，调度器将请求报文的目标地址（即虚拟IP地址）改写成选定的Real Server地址，同时报文的目标端口也改成选定的Real Server的相应端口，***将报文请求发送到选定的Real Server。在服务器端得到数据后，Real Server返回数据给用户时，需要再次经过负载调度器将报文的源地址和源端口改成虚拟IP地址和相应端口，然后把数据发送给用户，完成整个负载调度过程。可以看出，在NAT方式下，用户请求和响应报文都必须经过Director Server地址重写，当用户请求越来越多时，调度器的处理能力将称为瓶颈。
2，基于TUN的LVS负载均衡
也就是IP隧道技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT方式一样，只是它的报文转发方法不同，VS/TUN方式中，调度器采用IP隧道技术将用户请求转发到某个Real Server，而这个Real Server将直接响应用户的请求，不再经过前端调度器，此外，对Real Server的地域位置没有要求，可以和Director Server位于同一个网段，也可以是独立的一个网络。因此，在TUN方式中，调度器将只处理用户的报文请求，集群系统的吞吐量大大提高。
用的很少，图省略
3，基于DR的LVS负载均衡
也就是用直接路由技术实现虚拟服务器。它的连接调度和管理与VS/NAT和VS/TUN中的一样，但它的报文转发方法又有不同，VS/DR通过改写请求报文的MAC地址，将请求发送到Real Server，而Real Server将响应直接返回给客户，免去了VS/TUN中的IP隧道开销。这种方式是三种负载调度机制中性能更好的，但是必须要求Director Server与Real Server都有一块网卡连在同一物理网段上。
三，LVS负载均衡调度算法
上面我们谈到，负载调度器是根据各 个服务器的负载情况，动和或态地选择一台Real Server响应用户请求，那么动态选择是如何实现呢，其实也就是我们这里要说的负载调度算法，根据不同的网络服务需求和服务器配置，IPVS实现了如下 八种负载调度算法，这里我们详细讲述最常用的四种调度算法，剩余的四种调度算法请参考其它资料。
3.1 轮叫调度（Round Robin）
“轮叫”调度也叫1:1调度，调度器通过羡喊“轮叫”调度算法将外部用户请求按顺序1:1的分配到集群中的每个Real Server上，这种算法平等地对待每一台Real Server，而不管服务器上实际的负载状况和连接状态。
3.2 加权轮叫调度（Weighted Round Robin）
“加 权轮叫”调度算法是根据Real Server的不同处理能力来调度访问请求。可以对每台Real Server设置不同的调度权值，对于性能相对较好的Real Server可以设置较高的权值，而对于处理能力较弱的Real Server，可以设置较低的权值，这样保证了处理能力强的服务器处理更多的访问流量。充分合理的利用了服务器资源。同时，调度器还可以自动查询Real Server的负载情况，并动态地调整其权值。
3.3 最少链接调度（Least Connections）
“最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。如果集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用“最小连接”调度算法可以较好地均衡负载。
3.4 加权最少链接调度（Weighted Least Connections）
“加权最少链接调度”是“最少连接调度”的超集，每个服务节点可以用相应的权值表示其处理能力，而系统管理员可以动态的设置相应的权值，缺省权值为1，加权最小连接调度在分配新连接请求时尽可能使服务节点的已建立连接数和其权值成正比。
其它四种调度算法分别为：基于局部性的最少链接（Locality-Based Least Connections）、带复制的基于局部性最少链接（Locality-Based Least Connections with Replication）、目标地址散列（Destination Hashing）和源地址散列（Source Hashing），对于这四种调度算法的含义，本文不再讲述，如果想深入了解这其余四种调度策略的话，可以登陆LVS中文站点 zh.linuxvirtualserver.org，查阅更详细的信息。
负载均衡：F5，Haproxy，lvs, nginx
阅读本文前，需熟悉OSI七层参考模型。
常见的负载均衡设备，有F5，Haproxy，lvs, nginx等。
F5是商用硬件负载均衡，性能很好，但是价格昂贵，除了负载均衡，还有应用交换、会话交换、状态监控等众多功能。
F5一般做四层负载均衡，但也支持七层负载均衡。
Haproxy(以下简称ha)是软哗唯岁件负载均衡，开源，一般做七层负载均衡，但也支持四层负载均衡。
Linux Virtual Server(以下简称lvs)是软件负载均衡，开源，二层或四层负载均衡，已集成到linux内核，自身有完备的热备方案（keepalived+lvs），稳定性极强。
nginx也是软件负载均衡，开源，通过反向代理实现负载均衡，是七层负载均衡，性能不如上面的几个。
tips1
有些公司，测试环境用ha/lvs/nginx，生产环境用F5。
tips2
nginx做web服务器时，一般做静态资源服务器和php的web服务器，所以很多公司，会采用F5+nginx或者ha+nginx的架构
tips3
微服务中的ribbon属于客户端负载均衡，上面的几种都是服务端负载均衡
二层负载均衡
在数据链路层通过修改mac地址实现，如lvs的DR模式（直接路由模式）
三层负载均衡
在网络层通过DNAT协议修改目标地址实现
四层负载均衡
用ip+端口实现请求转发
备注：tcp报文里并没有ip，但是四层负载均衡可以用ip+端口，是因为server可以拿到ip
七层负载均衡
通过重新发起http请求实现，即client把请求发给lb，lb把请求代发给server，再把server的响应返回给client，因此七层负载均衡也经常被称为代理，七层负载均衡设备也被称为代理设备。
七层负载均衡常用于内网与外网的通信，比如内网无法直接访问外网，需要通过代理设备代发http请求，这种情况下，代理设备需要配置双网卡，以同时与内外网络通信。
由于山宽需要重发http请求，七层负载均衡性能较差，但是更智能和安全，因为应用层可以获取甚至修改请求的真实内容（即应用数据），比如cookie、url等，可以做一些智能的操作，比如根据cookie/url转发请求，也可以做一些安全操作，比如过滤特定报文、防止SYN Flood攻击等。
使用七层负载均衡时，服务的性能受限于代理设备的网卡带宽。
常见的负载均衡策略，有轮询、加权轮询、ip_hash、cookie、url_hash，根据服务器响应时间转发、根据最少连接转发等等。
备注：nginx可以安装第三方插件，使用第三方实现的策略
轮询：按服务器列表顺序转发请求，轮询是nginx默认的策略，本策略适合服务器配置相当、请求无状态（即不依赖session）的场景
加权轮询：如果不同服务器配置不同，可以为配乱睁置高的服务器增加权重
ip_hash：根据ip哈希结果转发，可以实现同一用户持续请求同一服务器（即会话保持），适合有状态（即依赖session）的场景，对png、jpg、js、css等静态资源的请求，不适合使用本策略
cookie：根据特定cookie转发请求，一般也是用于实现会话保持，比如为服务器A、B分别增加service-flag=a、service-flag=b的cookie，后续请求根据cookie转发
可以参考 haproxy实现会话保持
url_hash：根据url哈希结果转发，同一个接口始终请求同一台服务器，一般配合缓存使用，缓存接口返回结果
根据服务器响应时间转发：优先转发到响应时间较快的服务器
根据最少连接转发：优先转发到连接数较少的服务器
F5有一些特有的负载均衡策略：利用从应用程序和服务器收集到的各项性能指标，分析并转发
负载均衡有两个步骤：
1.根据什么算法选择真实服务端，即负载均衡策略，如轮询、加权轮询、ip_hash、cookie、url_hash等；
2.把请求转发到真实服务器，转发方式有二层到七层负载均衡
keepalived软件一开始是专为lvs设计的，后来加入了可以实现高可用的VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol ,虚拟路由器冗余协议）功能，因此，keepalived还可以作为nginx、haproxy、mysql等服务的高可用解决方案。
以nginx为例，为了防止nginx本身由于宕机等原因导致网站不可用，一般会搭两套nginx反向代理，用keepalived提供一个VIP。
一般情况下，VIP只在nginx主节点上工作，如果nginx主节点不可用了，VIP会自动漂移到从节点，自动漂移的原理即VRRP协议。
VIP漂移到从节点后，如果主节点恢复正常了，VIP是否漂移回主节点，取决于当前模式是抢占模式还是非抢占模式。
下图是一张简单的架构图，解释如下：
以上观点纯属个人意见，如果错误，欢迎指出，有些地方写的很简单，是因为我也不懂~
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