负载均衡(Load Balance,简称LB)是一种服务器或网络设备的集群技术。负载均衡将特定的业务(网络服务、网络流量等)分担给多个服务器或网络设备,从而提高了业务处理能力,保证了业务的高可用性。负载均衡基本概念有:实服务、实服务组、虚服务、调度算法、持续性等,其常用应用场景主要是服务器负载均衡,链路负载均衡。

0x00 服务器负载均衡

服务器负载均衡根据LB设备处理到的报文层次,分为四层服务器负载均衡和七层负载均衡,四层处理到IP包的IP头,不解析报文四层以上载荷(L4 SLB);七层处理到报文载荷部分,比如HTTP,RTSP,SIP报文头,有时也包括报文内容部分(L7 SLB)。

1.四层服务器负载均衡技术

客户端将请求发送给服务器群前端的负载均衡设备,负载均衡设备上的虚服务接收客户端请求,通过调度算法,选择真实服务器,再通过网络地址转换,用真实服务器地址重写请求报文的目标地址后,将请求发送给选定的真实服务器;真实服务器的响应报文通过负载均衡设备时,报文的源地址被还原为虚服务的VSIP,再返回给客户,完成整个负载调度过程。报文交互流程如下:

负载均衡原理与技术实现-安全盒子

NAT方式的服务器负载均衡报文交互流程图

报文交互流程说明:
(1)Host发送服务请求报文,源IP为Host IP、目的IP为VSIP
(2)LB Device接收到请求报文后,借助调度算法计算出应该将请求分发给哪台Server
(3)LB Device使用DNAT技术分发报文,源IP为Host IP、目的IP为Server IP
(4)Server接收并处理请求报文,返回响应报文,源IP为Server IP、目的IP为Host IP
(5)LB Device接收响应报文,转换源IP后转发,源IP为VSIP、目的IP为Host IP

2.七层服务器负载均衡技术

七层负载均衡和四层负载均衡相比,只是进行负载均衡的依据不同,而选择确定的实服务器后,所做的处理基本相同,下面以HTTP应用的负载均衡为例来说明。

由于在TCP握手阶段,无法获得HTTP真正的请求内容,因此也就无法将客户的TCP握手报文直接转发给服务器, 必须由负载均衡设备先和客户完成TCP握手,等收到足够的七层内容后,再选择服务器,由负载均衡设备和所选服务器建立TCP连接。

七层负载均衡组网和四层负载均衡组网有一个显著的区别:四层负载均衡每个虚服务对应一个实服务组,实服务组内的所有实服务器提供相同的服务;七层负载均衡每个虚服务对应多个实服务组,每组实服务器提供相同的服务。根据报文内容选择对应的实服务组,然后根据实服务组调度算法选择某一个实服务器。

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七层负载均衡组网图

上图中描述了基于HTTP的URI目录信息进行的七层负载均衡部署,报文交互流程图如下:

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七层负载均衡报文交互流程图

报文交互流程说明:
(1)-(3):Client和LB建立TCP连接;
(4):Client发送HTTP请求,目的IP为虚IP;
(5):LB设备分析报文,根据调度算法选择实服务器,注意此时会缓存该报文;
(6):LB设备向实服务器发Syn报文,序列号为Client的Syn报文序列号
(7):Server发送Syn/Ack报文,目的IP为Client;
(8):LB接收Server的Syn/Ack报文后,回应ACK报文
(9):修改步骤(5)中缓存的报文目的IP和TCP序列号,然后发给Server;
(10):Server发送响应报文到LB;
(11):LB修改步骤(9)中的报文的源地址和TCP序列号后转发给Client。

0x01 链路负载均衡

在企业网、运营商链路出口需要部署LB设备以优化链路选择,提升访问体验,链路负载均衡按照流量发起方向分为Inbound负载均衡和Outbound负载均衡

1.Inbound入方向负载均衡

Inbound负载均衡技术是DNS智能解析的一种,外网用户通过域名访问内部服务器时,Local DNS的地址解析请求到达LB设备,LB根据对Local DNS的就近性探测结果响应一个最优的IP地址,外网用户根据这个最优的IP响应进行对内部服务器的访问。

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Inbound链路负载均衡组网图

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入方向负载均衡

流程简述如下:
(1)外部用户进行资源访问前先进行DNS解析,向其本地DNS服务器发送DNS请求。
(2)本地DNS服务器将DNS请求的源IP地址替换为自己的IP地址,并转发给域名对应的权威服务器——LB device。
(3)LB device根据DNS请求的域名和配置的Inbound链路负载均衡规则进行域名解析。
(4)LB device按照域名解析的结果,将DNS应答发送给本地DNS服务器。
(5)本地DNS服务器将解析结果转发给用户。
(6)用户使用解析结果选择的链路,直接对LB device进行资源访问。

2.Outbound出方向负载均衡

内网用户访问Internet上其他服务器。 Outbound链路负载均衡中VSIP为内网用户发送报文的目的网段。用户将访问VSIP的报文发送到负载均衡设备后,负载均衡设备依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法选择最佳的链路,并将内网访问外网的业务流量分发到该链路。

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Outbound链路负载均衡组网图

Outbound负载均衡报文交互流程如下:

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Outbound 链路负载均衡流程图

Outbound负载均衡报文交互流程说明:
(1)LB Device接收内网用户流量      -
(2)LB Device依次根据策略、持续性功能、就近性算法、调度算法进行链路选择   在Outbound链路负载均衡组网中,通常使用就近性算法或带宽调度算法实现流量分发
(3)LB device按照链路选择的结果将流量转发给选定的链路       -
(4)LB Device接收外网用户流量      -
(5)LB Device将流量转发给内网用户

0x02 负载均衡优化及应用

1.TCP连接复用

连接复用功能通过使用连接池技术,可以将前端大量的客户的HTTP请求复用到后端与服务器建立的少量的TCP长连接上,大大减小服务器的性能负载,减小与服务器之间新建TCP连接所带来的延时,并最大限度减少后端服务器的并发连接数,降低服务器的资源占用。

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TCP连接复用示意图

上图给出了TCP连接复用的简单过程描述。由Client端发送的Req1/ Req2/ Req3三个HTTP请求,经过LB设备后,复用了LB设备和Server端已经建立好的连接,将Client端的三个请求通过两个TCP连接发送给了服务器端。

2.SSL卸载

为了避免明文传输出现的安全问题,对于敏感信息,一般采用SSL协议,如HTTPS,对HTTP协议进行加密,以保证整个HTTP传输过程的安全性。SSL是需要耗费大量CPU资源的一种安全技术,如果由后端的服务器来承担,则会消耗很大的处理能力。应用交付设备为了提升用户的体验,分担服务器的处理压力,将SSL加解密集中在自身的处理上,相对于服务器来说LB能提供更高的SSL处理性能,还能够简化对证书的管理,减少日常管理的工作量,LB的该功能又称为SSL卸载。

下图中Client端发送给Server的所有的HTTPS流量都被LB设备终结,LB设备将SSL终结后,与Server之间可采用HTTP或者弱加密的HTTPS进行通讯。LB设备承担了SSL的卸载工作,从而极大的减小了服务器端对SSL处理的压力,将服务器的处理能力释放出来,更加专注于处理服务器本身承担的业务逻辑。

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SSL卸载示意图

SSL卸载的处理流程如下:

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SSL卸载过程

(1)客户端向服务器端发送SSL握手请求。
(2)LB设备作为中间的卸载设备,代替服务器端和客户端交互,完成SSL握手过程。
(3)客户端发送SSL加密后的请求数据。
(4)LB设备解密数据。
(5)LB设备将解密后的明文发送给Server。
(6)服务器返回给LB设备回应报文。
(7)LB设备将返回的应答报文加密。
(8)LB设备将加密后的应答报文传给客户端。

3.DRX云环境应用交付

业务负载监控平台通过H3C负载均衡设备的参数设定和监控可以动态感知业务负载变化,并通知云管理平台动态调整业务资源。由此实现用户业务资源的实时动态调整、业务资源优化调配。

当业务负载监控平台发现业务资源需要调整时:业务负载超限—增加资源;业务资源过剩——回收资源,云管理平台通过自动创建、启动或者删除停止虚拟机的方式为业务进行资源动态调整。

0x03 结束语

负载均衡技术不管应用于用户访问服务器资源,还是应用于多链路出口,均大大提高了对资源的高效利用,显著降低了用户的网络布署成本,提升了用户的网络使用体验。随着云计算的发展,负载均衡的技术实现还将与云计算相结合,在虚拟化和NFV软件定义网关等方面持续发展。