nginx是什么层负载均衡（四层负载均衡技术）

本文目录

• 四层负载均衡技术
• 使用Nginx配置TCP负载均衡
• lvs跟nginx实现负载均衡有什么区别

四层负载均衡技术

通常使用的nginx负载均衡技术， 在网络分层中处于应用层（第七层），nginx与客户端建立连接（握手），然后再根据请求信息以及本地配置信息，将请求灵活的分发到不同的服务上。nginx这类7层负载均衡的优缺点都很明显。

除了nginx这种7层负载均衡策略，还有基于传输层（4层）的负载均衡策略。通过分析请求的 IP地址以及端口号 进行请求的负载均衡。根据请求处理模式的不同，4层负载均衡 算法 可以分为： NAT , DR 以及 TUN隧道技术 等。4层负载均衡的实现方式有： LVS 。

NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术，在专用内部网络中，分配一台实现了NAT技术的路由或服务Load Balance Service。这台负载均衡服务器分配了公网IP(VIP, Virtual IP)，所有客户端请求服务都请求此IP。LB通过不同的算法，将请求数据包的源IP以及目标IP修改，转发到真实服务器（Real Service）上进行业务处理。其具体的步骤可以分为：

可以看到通过NAT模式进行负载均衡，所有的请求以及响应都要通过LB服务器，当访问量较大时，LB服务器会成为瓶颈 。

DR(Direct Routing, 直接路由模式)，LB通过修改请求数据包的目标MAC地址，并且在Real Service服务配置只有 自己可见的lo:VIP ，实现数据包的接收（自己没有VIP的话，服务并不会接收数据包）。整个转发的流程为：

TUN思想跟DR类似，在Real Service上配置一个内部可见的lo:VIP地址，LB通过封装或修改数据包信息实现请求的转发。不同于DR模式LB修改MAC地址，为了 实现不同网段 的Real Service负载，TUN模式通过在原有的数据包外 封装一层IP Tunnel ，实现数据的转发。由于封装完 IP Tunnel 后数据包和正常的数据包结构不同，所以Real Service的 OS需要支持Tunnel功能 。TUN转发的具体流程为：

LB虽然没有完全解析数据包无法得知请求信息，但是可以通过监听请求头信息（例如，SYN、FIN等）判断客户端与Real Service之间的连接情况。LB通过监听请求信息，维护了各个Real Service的连接信息表。通过这些信息实现不同的调度算法进行负载均衡。

LB将请求依次转发至不同的Real Service

给Real Service分配不同的权值，LB根据RS的权值的高低转发请求

根据请求的目标地址（资源，例如同一URL）进行Hash，转发至RS上

对客户端的域名或者IP进行Hash，转发至RS上

LB将请求转发至连接最少的RS上

LB通过加权轮询以及RS的连接情况来转发请求

LB维护 目标IP到一台RS 的映射表（目标IP最近使用的RS），通过映射表将请求转发至RS，若RS不存在或者超载，通过 最少连接 策略选出一台新的RS进行转发

LB维护 目标IP到一组RS 的映射表（目标IP最近使用的RS），通过 最少连接 策略从服务器组选择一个RS进行转发，若RS不存在或者超载，通过 最少连接 策略选出一台新的RS进行转发，并将此RS加入映射组中。

使用Nginx配置TCP负载均衡

Nginx是比较不错的开源Web服务器之一，但它也可以用作TCP和UDP负载均衡器。使用Nginx作为HAProxy的负载均衡器的主要好处之一是，它还可以负载均衡基于UDP的流量。在本文中，我们将演示如何将NGINX配置为Kubernetes集群中部署的应用程序的负载均衡。

假设Kubernetes集群已经配置好，我们将基于 CentOS 为Nginx创建一个虚拟机。

以下是实验种设置的详细信息：

Nginx (CenOS8 Minimal) - 192.168.1.50

Kube Master - 192.168.1.40

Kube Worker 1 - 192.168.1.41

Kube Worker 2 - 192.168.1.42

步骤1）安装epel仓库

因为nginx软件包在CentOS系统默认仓库里面没有，所以需要安装epel仓库：

# dnf install epel-release -y

步骤2）安装Nginx

运行以下 命令 安装nginx：

# dnf install nginx -y

使用rpm 命令 验证Nginx包的详细信息：

# rpm -qi nginx

***隐藏网址***

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# firewall-cmd –reload

使用以下命令将SE Linux 设置为permissive模式，并重启系统使selinux关闭生效：

# sed -i s/^SELINUX=.*$/SELINUX=permissive/ /etc/selinux/config

# reboot

步骤3）从Kubernetes中获取应用程序的NodePort详细信息

$  kubectl get all -n ingress-nginx

从上面的输出中可以看到，每个工作节点的NodePort 32760映射到端口80，NodePort 32375映射到443端口。我们将在Nginx配置文件中使用这些节点端口来做负载均衡。

步骤4）将Nginx配置负载均衡

nginx配置文件，并添加以下内容：

# vim /etc/nginx/nginx.conf

注释掉“server”部分（从38到57行）：

并添加以下几行：

upstream backend {

  server 192.168.1.41:32760;

  server 192.168.1.42:32760;

}

server {

  listen 80;

  location / {

      proxy_read_timeout 1800;

      proxy_connect_timeout 1800;

      proxy_send_timeout 1800;

      send_timeout 1800;

      proxy_set_header        Accept-Encoding  "";

      proxy_set_header        X-Forwarded-By    $server_addr:$server_port;

      proxy_set_header        X-Forwarded-For  $remote_addr;

      proxy_set_header        X-Forwarded-Proto $scheme;

      proxy_set_header Host $host;

      proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;

***隐藏网址***

  }

    location /nginx_status {

        stub_status;

    }

}

保存配置文件，并退出。

根据上述更改，所有向nginx的80端口的请求，都将被路由到的Kubernetes工作节点（192.168.1.41和192.168.1.42）的NodePort（32760）端口上。

使用以下命令启用Nginx服务：

# systemctl start nginx

# systemctl enable nginx

测试Nginx的 TCP负载均衡器

要测试nginx作为Kubernetes的TCP负载均衡是否工作正常，请部署基于nginx的deployment，将deployment的端口暴露为80端口，并为nginx 的deployment定义入口资源。我已经使用以下命令来部署这些Kubernetes对象：

$ kubectl create deployment nginx-deployment --image=nginx

deployment.apps/nginx-deployment created

$ kubectl expose deployments nginx-deployment  --name=nginx-deployment --type=NodePort --port=80

service/nginx-deployment exposed

运行以下命令以获取deployments，svc和ingress详细信息：

更新本地主机的hosts文件，以便nginx-lb.example.com指向nginx服务器的IP地址（192.168.1.50）

# echo "192.168.1.50  nginx-lb.example.com" 》》 /etc/hosts

尝试通过浏览器访问nginx-lb.example.com

总结

上面证实了Nginx作为TCP负载均衡器可以正常工作，因为它可以负载平衡K8s工作节点之间端口80上的TCP通信量。

lvs跟nginx实现负载均衡有什么区别

lvs和nginx都可以用作多机负载的方案，它们各有优缺，在生产环境中需要好好分析实际情况并加以利用。 首先提醒，做技术切不可人云亦云，我云即你云；同时也不可太趋向保守，过于相信旧有方式而等别人来帮你做垫被测试。把所有即时听说到的好东西加以钻研，从而提高自己对技术的认知和水平，乃是一个好习惯。
下面来分析一下两者：
一、lvs的优势：
1、抗负载能力强，因为lvs工作方式的逻辑是非常之简单，而且工作在网络4层仅做请求分发之用，没有流量，所以在效率上基本不需要太过考虑。在我手里的lvs，仅仅出过一次问题：在并发最高的一小段时间内均衡器出现丢包现象，据分析为网络问题，即网卡或linux2.4内核的承载能力已到上限，内存和cpu方面基本无消耗。
2、配置性低，这通常是一大劣势，但同时也是一大优势，因为没有太多可配置的选项，所以除了增减服务器，并不需要经常去触碰它，大大减少了人为出错的几率。
3、工作稳定，因为其本身抗负载能力很强，所以稳定性高也是顺理成章，另外各种lvs都有完整的双机热备方案，所以一点不用担心均衡器本身会出什么问题，节点出现故障的话，lvs会自动判别，所以系统整体是非常稳定的。
4、无流量，上面已经有所提及了。lvs仅仅分发请求，而流量并不从它本身出去，所以可以利用它这点来做一些线路分流之用。没有流量同时也保住了均衡器的IO性能不会受到大流量的影响。
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另：lvs也不是完全能判别节点故障的，譬如在wlc分配方式下，集群里有一个节点没有配置VIP，会使整个集群不能使用，这时使用wrr分配方式则会丢掉一台机。目前这个问题还在进一步测试中。所以，用lvs也得多多当心为妙。
二、nginx和lvs作对比的结果
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2、nginx对网络的依赖较小，理论上只要ping得通，网页访问正常，nginx就能连得通，nginx同时还能区分内外网，如果是同时拥有内外网的节点，就相当于单机拥有了备份线路；lvs就比较依赖于网络环境，目前来看服务器在同一网段内并且lvs使用direct方式分流，效果较能得到保证。另外注意，lvs需要向托管商至少申请多一个ip来做Visual IP，貌似是不能用本身的IP来做VIP的。要做好LVS管理员，确实得跟进学习很多有关网络通信方面的知识，就不再是一个HTTP那么简单了。
3、nginx安装和配置比较简单，测试起来也很方便，因为它基本能把错误用日志打印出来。lvs的安装和配置、测试就要花比较长的时间了，因为同上所述，lvs对网络依赖比较大，很多时候不能配置成功都是因为网络问题而不是配置问题，出了问题要解决也相应的会麻烦得多。
4、nginx也同样能承受很高负载且稳定，但负载度和稳定度差lvs还有几个等级：nginx处理所有流量所以受限于机器IO和配置；本身的bug也还是难以避免的；nginx没有现成的双机热备方案，所以跑在单机上还是风险较大，单机上的事情全都很难说。
5、nginx可以检测到服务器内部的故障，比如根据服务器处理网页返回的状态码、超时等等，并且会把返回错误的请求重新提交到另一个节点。目前lvs中ldirectd也能支持针对服务器内部的情况来监控，但lvs的原理使其不能重发请求。重发请求这点，譬如用户正在上传一个文件，而处理该上传的节点刚好在上传过程中出现故障，nginx会把上传切到另一台服务器重新处理，而lvs就直接断掉了，如果是上传一个很大的文件或者很重要的文件的话，用户可能会因此而恼火。
6、nginx对请求的异步处理可以帮助节点服务器减轻负载，假如使用apache直接对外服务，那么出现很多的窄带链接时apache服务器将会占用大量内存而不能释放，使用多一个nginx做apache代理的话，这些窄带链接会被nginx挡住，apache上就不会堆积过多的请求，这样就减少了相当多的内存占用。这点使用squid也有相同的作用，即使squid本身配置为不缓存，对apache还是有很大帮助的。lvs没有这些功能，也就无法能比较。
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在使用上，一般最前端所采取的策略应是lvs，也就是DNS的指向应为lvs均衡器，lvs的优点令它非常适合做这个任务。
重要的ip地址，最好交由lvs托管，比如数据库的ip、webservice服务器的ip等等，这些ip地址随着时间推移，使用面会越来越大，如果更换ip则故障会接踵而至。所以将这些重要ip交给lvs托管是最为稳妥的，这样做的唯一缺点是需要的VIP数量会比较多。
nginx可作为lvs节点机器使用，一是可以利用nginx的功能，二是可以利用nginx的性能。当然这一层面也可以直接使用squid，squid的功能方面就比nginx弱不少了，性能上也有所逊色于nginx。
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nginx也可作为网页静态服务器，不过超出了本文讨论的范畴，简单提一下。
具体的应用还得具体分析，如果是比较小的网站（日PV《1000万），用nginx就完全可以了，如果机器也不少，可以用DNS轮询，lvs所耗费的机器还是比较多的；大型网站或者重要的服务，机器不发愁的时候，要多多考虑利用lvs。