添加负载均衡实现原理文章

Author: wangyazhou

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network/负载均衡与代理技术.md

@@ -99,7 +99,7 @@ TLS 卸载（TLS Termination）是指将 TLS 加密/解密、证书管理等操
 
 - **减轻后端负载**：后端服务器无需处理加密/解密操作，可以专注于业务逻辑处理。
 - **减少运维负担**：负载均衡器集中管理 SSL 证书的配置和更新，避免每个后端服务器单独管理证书。
-- **提升请求效率**：负载均衡器通常具备硬件加速能力，并经过优化，能更高效地处理 TLS 连接（详见本书第二章 2.5.2 节）。
+- **提升请求效率**：负载均衡器通常具备硬件加速能力，并经过优化，能更高效地处理 TLS 连接。
 
 ### 5 安全和 DDoS 防御
 
@@ -190,7 +190,8 @@ TLS 卸载（TLS Termination）是指将 TLS 加密/解密、证书管理等操
 
 LVS 的基本原理可以用一句话概述，通过修改 MAC 层、IP 层、TCP 层的数据包，实现一部分交换机和网关的功能，将流量转发至真正的服务器上。这三种数据包修改方式分别对应 LVS 提供的三种工作模式，接下来将详细介绍它们的工作原理。
 
-## [#](https://www.thebyte.com.cn/balance/balance4.html#_4-4-1-%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E8%B7%AF%E7%94%B1%E6%A8%A1%E5%BC%8F)4.4.1 直接路由模式
+
+### 1 直接路由模式
 LVS 的直接路由模式实际是一种链路层转发技术。
 
 链路层负转发的原理是，负载均衡器（LVS）收到请求后，修改数据帧的目标 MAC 地址，再由交换机转发至某个“后端服务器”。
@@ -199,11 +200,11 @@ LVS 的直接路由模式实际是一种链路层转发技术。
 
 例如，若某个 VIP 地址为 1.1.1.1，可以通过以下命令将该 IP 绑定到后端服务器的 lo 接口：
 
-```
+```bash
 $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 ```
 
-在直接路由模式中，请求通过负载均衡器转发至后端服务器，而后端服务器的响应无需再经过负载均衡器，请求、转发和响应之间形成“三角关系”，因此该模式也被称为“三角传输模式”，如图 4-9 所示。
+在直接路由模式中，请求通过负载均衡器转发至后端服务器，而后端服务器的响应无需再经过负载均衡器，请求、转发和响应之间形成“三角关系”，因此该模式也被称为“三角传输模式”
 
 ![[balancer4-dsr-ZMeH2uRR.svg]]
 直接路由模式优点在于，它特别适合响应流量远大于请求流量的场景。例如，在典型的 HTTP 请求/响应模式中，请求流量可能仅占总流量的 10%，而响应流量占 90%。通过三角传输模式，负载均衡器只需处理 1/10 的总流量。这种设计不仅显著降低了带宽成本，还提升了负载均衡器的可靠性（流量越少、负载越轻、越不容易出现问题）。
@@ -213,15 +214,15 @@ $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 - **监控功能受限**：由于响应流量直接返回客户端，负载均衡器无法监控完整的 TCP 连接状态，这可能影响防火墙策略的实施。例如，负载均衡器只能捕获 TCP 连接的 SYN 包，而无法跟踪后续的 ACK 包。
 - **网络架构要求高**：负载均衡器与后端服务器之间通过链路层通信，因此要求两者位于同一子网内，这对网络拓扑设计提出了较高的要求。
 
-## [#](https://www.thebyte.com.cn/balance/balance4.html#_4-4-2-%E9%9A%A7%E9%81%93%E6%A8%A1%E5%BC%8F)4.4.2 隧道模式
+### 2 隧道模式
 
 在直接路由模式中，请求通过修改链路层的 MAC 地址转发；而在网络层，当然也可以通过修改 IP 数据包实现请求转发。LVS 的隧道模式和 NAT 模式都属于网络层负载均衡，两者的区别是修改 IP 数据包的方式不同。
 
 隧道模式的基本原理是，LVS 创建一个新的 IP 数据包，将原始 IP 数据包作为“负载”（payload）嵌入其中。新数据包随后被三层交换机路由到后端服务器，后者通过拆包机制移除额外的头部，恢复原始 IP 数据包并进行处理。
 
 举一个具体例子，假设客户端（IP 203.0.113.5）向 VIP (1.1.1.1) 发送的数据包如下：
 
-```
+```json
 {
   Source IP: 203.0.113.5,
   Destination IP: 1.1.1.1,
@@ -231,7 +232,7 @@ $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 
 负载均衡器收到数据包后，根据调度算法选择一台后端服务器（172.12.1.3），并对数据包进行封装处理。
 
-```
+```json
 {
   Source IP: 172.12.1.2,
   Destination IP: 172.12.1.3,
@@ -245,11 +246,11 @@ $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 
 将一个 IP 数据包封装在另一个 IP 数据包内，并配合相应的解包机制，这是典型的 IP 隧道技术。在 Linux 中，IPIP 隧道实现了字面意义上的“IP in IP”。由于隧道模式工作在网络层，绕过了直接路由模式的限制，因此 LVS 隧道模式可以跨越子网进行通信。
 
-如图 4-10 所示，由于源数据包信息完全保留，隧道模式因此也继承了三角传输的特性。
+如图所示，由于源数据包信息完全保留，隧道模式因此也继承了三角传输的特性。
 ![[balancer4-tunnel-DGY5TldN.svg]]
 隧道模式可以视为直接路由模式的升级版，支持跨网通信。不过，由于涉及数据包的封装与解封，后端服务器必须支持相应的隧道技术（如 IPIP 或 GRE）。其次，隧道模式继承了三角传输的特性，因此后端服务器也需要处理虚拟 IP（VIP）与 lo 接口的关系。
 
-## [#](https://www.thebyte.com.cn/balance/balance4.html#_4-4-3-%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%9C%B0%E5%9D%80%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E6%A8%A1%E5%BC%8F)4.4.3 网络地址转换模式
+### 3 网络地址转换模式
 
 另一种对 IP 数据包的修改方式是**直接修改原始 IP 数据包的目标地址，将其替换为后端服务器的地址**。这种方式被称为“网络地址转换”（NAT）模式，其请求和响应的流程如图 4-11 所示。
 
@@ -269,11 +270,11 @@ $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 
 从上述可见，网络地址转换（NAT）模式下，负载均衡器代表整个服务集群接收和响应请求。因此，当流量压力较大时，系统的瓶颈就很容易体现在负载均衡器上。
 
-## [#](https://www.thebyte.com.cn/balance/balance4.html#_4-4-4-%E4%B8%BB%E5%A4%87%E6%A8%A1%E5%BC%8F)4.4.4 主备模式
+### 4 主备模式
 
 到目前为止，我们讨论的都是单个负载均衡器的工作模式。那么，如果负载均衡器出现故障呢？这将影响所有经过该负载均衡器的连接。为了避免因负载均衡器故障导致服务中断，负载均衡器通常以高可用模式进行部署。
 
-图 4-12 展示了最常见的主备模式，其核心在于每台节点上运行 Keepalived 软件，该软件实现了 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）协议，虚拟出一个对外提供服务的 IP 地址（VIP）。默认情况下，VIP 绑定在主节点（Master）上，由主节点处理所有流量请求。备用节点（Backup）则持续监控主节点的状态，当主节点发生故障时，备用节点会迅速接管 VIP，确保服务不中断。
+如图展示了最常见的主备模式，其核心在于每台节点上运行 Keepalived 软件，该软件实现了 VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）协议，虚拟出一个对外提供服务的 IP 地址（VIP）。默认情况下，VIP 绑定在主节点（Master）上，由主节点处理所有流量请求。备用节点（Backup）则持续监控主节点的状态，当主节点发生故障时，备用节点会迅速接管 VIP，确保服务不中断。
 
 ![[lvs-ha-DO2CUxU4.svg]]
 
@@ -282,14 +283,14 @@ $ ip addr add 1.1.1.1/32 dev lo
 - 在正常运行时，50% 的资源处于闲置状态，备用服务器始终处于空转状态，导致资源利用率低下。
 - 现代分布式系统更加注重高容错性。理想情况下，即使多个实例同时发生故障，服务仍应能持续运行。然而，在主备模式下，一旦主节点和备用节点同时发生故障，服务将完全中断。
 
-## [#](https://www.thebyte.com.cn/balance/balance4.html#_4-4-5-%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E9%9B%86%E7%BE%A4%E5%92%8C%E4%B8%80%E8%87%B4%E6%80%A7%E5%93%88%E5%B8%8C%E7%9A%84%E5%AE%B9%E9%94%99%E5%92%8C%E5%8F%AF%E6%89%A9%E5%B1%95%E6%A8%A1%E5%BC%8F)4.4.5 基于集群和一致性哈希的容错和可扩展模式
+### 5 基于集群和一致性哈希的容错和可扩展模式
 
 近些年，业界开始设计全新四层负载均衡系统，其设计目标是：
 
 - 避免传统主备模式的缺点。
 - 从依赖厂商的商业硬件方案，转向基于标准服务器和网卡的通用软件解决方案。
 
-如图 4-13 所示，这种设计被称为“基于集群和一致性哈希的容错和可扩展性”（Fault Tolerance and Scaling via Clustering and Distributed Consistent Hashing）。其工作原理如下：
+如图所示，这种设计被称为“基于集群和一致性哈希的容错和可扩展性”（Fault Tolerance and Scaling via Clustering and Distributed Consistent Hashing）。其工作原理如下：
 
 - N 个边缘路由器使用相同的 BGP 权重通告所有 Anycast VIP[^1]，确保同一流（flow）的所有数据包都通过相同的边缘路由器。
 - N 个四层负载均衡器使用相同的 BGP 权重向边缘路由器通告 VIP，确保同一流的数据包始终经过相同的四层负载均衡器。