负载均衡技术：L4-F7 SWITCH

忘是亡心i 2024-04-18 15:29 60阅读 0赞

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**负载均衡器:四层交换机或七层交换机**

负载均衡器通常称为四层交换机或七层交换机。四层交换机主要分析IP层及TCP/UDP层，实现四层流量负载均衡。七层交换机除了支持四层负载均衡以外，还有分析应用层的信息，如HTTP协议URI或Cookie信息。  
1、负载均衡分为L4 switch（四层交换），即在OSI第4层工作，就是TCP层啦。此种Load Balance不理解应用协议（如HTTP/FTP/MySQL等等）。例子：  
LVS，F5  
2、另一种叫做L7 switch（七层交换），OSI的最高层，应用层。此时，该Load Balancer能理解应用协议。例子：  
haproxy，MySQL Proxy  
注意：上面的很多Load Balancer既可以做四层交换，也可以做七层交换。

如果单纯要做HTTP的负载均衡，用haproxy好了。性能很强。  
另外，F5和Alteon这样的硬件LB是LVS等软件赶不上。

Q: 服务器负载均衡有哪些实现方法？   
A: 实现服务器负载均衡有多种方法，常见的方法有：   
1.基于DNS 轮询的方法：即在DNS 服务器中对同一域名设置多条DNS A 记录，   
通过DNS 的轮询机制实现服务器负载均衡。   
2.基于服务器集群的方法；   
3.基于应用软件的实现方法，在应用软件设计中就考虑了多服务器之间的协同工作   
与任务调度。这种方法一般会有一台服务器作为中枢对访问请求进行调度，同时   
要求在应用层支持访问重定向或任务调度、跳转机制。   
4.采用专门的L4/L7 层交换机来实现，也即我们常说的负载均衡器。一般都是通过   
在L4/L7 层交换机作地址转换（NAT）来实现。   
5.基于代理方式的负载均衡算法。

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Q: 请简单介绍F5 L4/L7 层交换机对服务器作负载均衡的工作过程。   
A: F5 L4/L7 层交换机对服务器作负载均衡时主要包括以下几个过程：   
1.截获和检查分析流量：保证只有合适的数据包才能通过   
2.服务器监控和健康检查：随时了解服务器群的可用性状态   
3.负载均衡和应用交换功能：通过各种策略或负载均衡算法将访问请求导向到合适的服务   
器，这一过程包括目标服务器的选择及地址转换（NAT）过程。   
4.会话的保持(Persistence)：通过会话保持，保证一系列相关连的会话不会被负载均衡到   
不同的服务器上。

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Q: F5 L4/L7 层交换机对服务器作负载均衡时是怎样做地址转换的（NAT）。   
A: F5 L4/L7 层交换机对服务器作负载均衡是采用基于网络地址转换(NAT)的负载均衡技   
术 。 如：负载均衡器后面的一组服务器10.1.1.4:80、10.1.1.5:80、10.1.1.6:80 对外构成一台虚拟   
的服务器（Virtual Server）192.168.101.1:80，对外提供服务。当一个访问虚拟服务器   
192.168.101.1:80 的请求到达负载均衡器以后，负载均衡器根据预先设定的负载均衡算法从服   
务器pool(WEB\_POOL)中挑选一台服务器来服务该请求，例如选定的是10.1.1.4:80；然后通   
过网络地址转换（NAT）将访问请求包的目的地址与端口转换成10.1.1.4:80，并将数据包发给   
10.1.1.4。服务器10.1.1.4 处理访问请求，并作出回应。回应的包必须返回到负载均衡器上，   
由负载均衡器将回应包的源地址与端口转换回虚拟服务器的地址与端口，并返回给客户。这样   
完成一次访问过程。

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Q: 什么叫会话保持(Persistence)?   
A: 会话保持(persistence)是负载均衡中一个特定而重要的概念。   
一个客户与服务器经常经过好几次的交互过程才能完成一笔交易。由于这几次交互过   
程是密切相关的，服务器在进行这些交互过程的某一个交互步骤时，往往需要了解上一次交互   
过程的处理结果，这就要求所有这些相关的交互过程都由一台服务器完成，而不能被负载均衡   
器分散到不同的服务器上。   
而这一系列的相关的交互过程可能是由客户到服务器的一个连接的多次会话完成，也   
可能是在客户与服务器之间的多个不同连接里的多次会话完成。不同连接的多次会话，最典型   
的例子就是基于http 的访问，一个客户完成一笔交易可能需多次点击，而一个新的点击产生   
的请求，可能会重用上一次点击建立起来的连接，也可能是一个新建的连接。   
会话保持就是指在负载均衡器上有这么一种机制，可以识别做客户与服务器之间交互   
过程的关连性，在作负载均衡的同时，还保证一系列相关连的访问请求会保持分配到一台服务   
器上。

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Q: 基于Layer 4 的负载均衡与基于Layer 7 的负载均衡有什么区别？   
A: 基于Layer 4 的负载均衡在截取数据流以后，对数据包要检查与分析的部份仅仅限于IP 报   
头及TCP/UDP 报头，而不关心TCP 或UDP 包内部信息。而基于Layer7 的负载均衡，则要   
求负载均衡器除了支持Layer4 负载均衡以外，还要理解数据包中4 层以上的信息，也即应用   
层的信息。例如，可以理解分析http 协议，从数据包中提取出http uri 或cookie 信息。基于   
Layer4 与基于Layer7 负载均衡或交换对数据包检查的深度不一样，基于Layer4 的交换偏重   
的是网络层，而Layer7 偏重的是应用层，与应用结合很紧密。负载均衡器在作这两种方式的   
负载均衡时的性能也不一样。

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Q: 为什么需要基于Layer7 的负载均衡？   
A: 简单来说，之所以需要基于Layer7 的负载均衡，有以下原因：   
1.会话保持(Persistence)的需要：在很多应用中，单靠Layer4 层的信息，也即IP 地址   
与端口的信息，是不足以分辨出会话的相关性。这样要实现会话保持，就必须依靠   
于Layer7 交换。   
2.应用安全的需要：要做到应用级的安全，负载均衡器必须能检查、分析应用层的信   
息，并以此作为流量分发、访问控制的依据。   
3.服务器、应用健康检查的需求：如前面所述，负载均衡器还有一个重要任务就是要及   
时发现服务器上的异常情况，这种异常情况不仅仅限于网络故障，还包括服务或应   
用能不能对访问请求作出正确的响应。这也是要通过对数据包的应用层进行分析才   
能实现。

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Q: 对Lay4-7 层交换机或应用交换机一般要关注、了解哪些方面？   
A: 一般来说，对Lay4-7 层交换机或应用交换机，一般会提到以下几个因素：   
支持的负载均衡算法   
支持的服务器健康检查的方法   
如何保持客户端和服务器的会话   
速度/性能指标   
安全性与可靠性   
端口数量

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Q: F5 Bigip 负载均衡器支持哪些负载均衡算法？   
A: F5 Bigip 负载均衡器支持的负载均衡算法包括：   
1.轮询（RoundRobin）：顺序循环将请求一次顺序循环地连接每个服务器。当其中某个服务器   
发生第二到第7 层的故障，BIG/IP 就把其从顺序循环队列中拿出，不参加下一次的轮询，直到其恢复   
正常。   
2.比率（Ratio）：给每个服务器分配一个加权值为比例，根椐这个比例，把用户的请求分配到每   
个服务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG/IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加   
下一次的用户请求的分配，直到其恢复正常。   
3.优先权（Priority）：给所有服务器分组，给每个组定义优先权，BIG/IP 用户的请求，分配给优   
先级最高的服务器组（在同一组内，采用轮询或比率算法，分配用户的请求）；当最高优先级中所有服   
务器出现故障，BIG/IP 才将请求送给次优先级的服务器组。这种方式，实际为用户提供一种热备份的   
方式。   
4.最小的连接数（LeastConnection）：传递新的连接给那些进行最少连接处理的服务器。当其   
中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG/IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请   
求的分配，直到其恢复正常。   
5.最快模式（Fastest）：传递连接给那些响应最快的服务器。当其中某个服务器发生第二到第7   
层的故障，BIG/IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一次的用户请求的分配，直到其恢复正常。   
6.观察模式（Observed）：连接数目和响应时间以这两项的最佳平衡为依据为新的请求选择服   
务器。当其中某个服务器发生第二到第7 层的故障，BIG/IP 就把其从服务器队列中拿出，不参加下一   
次的用户请求的分配，直到其恢复正常。   
7.预测模式（Predictive）：BIG/IP 利用收集到的服务器当前的性能指标，进行预测分析，选择   
一台服务器在下一个时间片内，其性能将达到最佳的服务器相应用户的请求。(被big/ip 进行检测)   
8.规则模式（iRule）：针对不同的数据流设置导向规则，用户可自行编辑流量分配规则，BIG/IP   
利用这些规则对通过的数据流实施导向控制。

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Q: F5 Bigip 负载均衡器支持哪些服务器健康检查方法？   
A: F5 Bigip 负载均衡器支持以下的服务器健康检查方法：   
1.服务器 (Node) - Ping (ICMP)   
2.服务 (Port) － Connect   
3.可扩展的应用验证 (EAV) :不仅仅检查服务器上指定服务的端口是否处于监听状态，还要检查该   
服务端口能否对应用访问请求作出回应，例如可以检查对http 请求或对数据库的查询能否作出   
回应。   
4.可扩展的内容验证 (ECV)：Bigip 除了可以通过EAV 对服务进行检查，还可以通过ECV 对服务   
器的响应作进一步分析，通过分析读取服务器回应中的指定内容来判断服务器上服务的运行情   
况。上述检查方法的检查频度（e.g. 10 seconds）与检查响应Timeout 时间（ e.g. 5   
seconds）都可以根据应用情况进行灵活定制。   
对于ECV、EAV，在Bigip 中已经包含了一些常见应用的检查与内容验证的方法，例如   
http 的检查、Ldap、SQL Server 等。如果碰到一些应用、Bigip 上没有提供相应的检查   
方法，Bigip 还提供了一个扩展的接口，用户只需要编写相应的应用检查脚本或程序并加载   
到Bigip 就可实现对该应用的检查或内容验证。

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Q: F5 Bigip 支持哪些会话保持方法？   
A:   
1.简单会话保持   
– 根据客户端源IP 地址保持客户会话的技术   
2.HTTP Header   
– 根据HTTP 包头信息保持会话的技术   
3.SSL ID 会话保持   
– 根据SSL ID 保持客户/服务器连接的技术   
4.HTTP Cookie 会话保持   
– 插入模式,改写模式, 被动模式, 散列模式(Cookie Hash)   
5.SIP ID 会话保持   
6.Cache 设备的专用会话保持   
7.i-Mode 移动应用的会话保持技术   
8.i-Rules 客户定制的会话保持方法

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Q: Lay4-7 层交换机或应用交换机有哪些速度、性能指标比较重要？   
A:   
1.Session/Second :   
– 每秒处理的会话数量,有Lay4 和Lay7 的区别   
2.Maximum connection :   
– 最多能够保持的连接数量,即最多能够保持多少个并发的会话连接   
3.Throughput : 吞吐率 (bps)   
– 有Lay4 和Lay7 的区别   
4.VIP Maximum Number :(支持的虚拟服务器个数)   
– 最多同时多少应用可以做负载均衡

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Q: F5 Bigip 应用交换机支持的最大连接数是多少？   
A: F5 Bigip 应用交换机对客户到服务器之间的每一条连接都要维护一条记录，当连接开始   
建立时，Bigip 会根据负载均衡算法将客户的请求分配到一台服务器上。连接建立以后，对这   
个连接内的所有会话将不再需要通过负载均衡算法来选择服务器，而是根据系统中原有的连接   
表直接进行地址转换及交换。如果连接没有被主动关闭，即使连接处于闲置状态，应用交换机   
中的相应的连接表也会保持一段时间，直到Timeout 为止。   
F5 Bigip 应用交换机采用的是共享内存与中央CPU 的体系结构，系统支持的最大连接数只与   
系统配置的内存数量有关。一般来说：   
当系统配置的内存是512M 时，支持的最大连接数是100 万；   
当系统配置的内存是1G 时，支持的最大连接数是200 万；   
当系统配置的内存是2G 时，支持的最大连接数是400 万；   
上述参数适用于Bigip1000、 Bigip 2400、Bigip 5000 三个型号。至于随着Bigip 上连接数   
的增加，系统处理会话的速度会不会下降，由于Bigip 对连接表的查询是采用的hash 算法，   
查询速度与连接表的数量没有关系。

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Q: F5 Bigip 应用交换机每秒会话处理能力是多少？   
A: 在应用交换机中Layer4 的每秒会话处理能力与Layer7 的每秒会话处理能力是不一样的。   
另外每秒会话处理能力还与数据包的大小有关系。每秒会话处理能力反应了应用交换机对数据   
包或会话的处理能力，与系统的负载均衡算法、地址转换能力有关。   
Lyaer4 的交换可以通过ASCI 芯片硬件来处理，所以性能会高一些。而Layer7 的会话处理过   
程必须通过CPU 进行，更多的依赖于CPU 的处理能力。   
在F5 Bigip 产品系列中，Bigip2400 采用了最新的Layer4 ASCI 芯片，所以Layer4 的每秒会   
话处理能力最强；而Bigip5000 采用了两个CPU，所以Layer 7 的每秒会话处理能力最强。   
F5 Bigip2400 的Layer4 最大会话处理能力是：125000 Layer 4 sessions per second at a data return   
file size of 64 bytes。   
F5 Bigip5000 的Layer7 最大会话处理能力是：19000 sessions per second。

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