四层负载均衡
所谓四层就是OSI模型的传输层，
主要是基于tcp/ip的负载均衡模式，即基于ip和端口的方式实现将请求转发至后端节点。
常用场景
1）实现tcp协议的负载均衡
例：对后端服务MySQL从库、以及Redis等服务的负载。
纯粹基于四层的Web应用无法满足当下的负载均衡需求，中小企业直接会选择基于7层的负载均衡模式(nginx proxy)。
见数据库集群架构
2）四层+七层负载均衡架构
在Web前端的7层负载均衡之前，架设四层负载均衡以实现大规模高并发集群架构访问。
四层负载均衡专注于tcp请求的转发，把更复杂的调度（例如：动静分离、业务分离、根据来源设备调度等）交给7层负载均衡处理。
（见大规模集群架构）
3）如果7层负载业务能够拆分成不同的域名对应的业务，流量拆分，就可以直接用七层。L4和L7的区别及常用软件。
面试题：L4和L7的区别
Layer4 tcp负载均衡 lvs、nginx、haproxy，nginx从1.9.2才支持四层负载。
四层优缺点：
1）基于tcp/ip，即IP+端口的负载均衡
2）四层更快：特别是lvs负载均衡，在内核空间处理，不用走用户空间。处理速度更快
3）四层适合大型站点，处于网站接入层最前端，结合四层+七层使用
（四层放在最前面专注做数据转发，后面可以用七层来继续处理更复杂的业务。一般是结合使用）
4）目前主要应用在后端tcp业务的负载，例如mysql，redis,k8s集群，数据库集群，应用服务器集群。
七层Layer7优缺点：
1）基于应用层http/https的负载均衡，实现开源软件有nginx、haproxy、F5（硬件）
2）七层功能更多：经内核空间进入用户空间的应用层进行转发。
3）可以实现更复杂的负载均衡控制，比如基于url、session、动静分离等。
4）会占用更多的CPU、内存资源，承载的并发比四层更少。
5）七层适合中小站点Web服务，只使用七层负载均衡lvs、nginx、haproxy区别
LVS优点：
1.基于四层负载，并通过【转发】请求给后端节点实现负载功能。
5万并发，真正的5万并发。
2.内核级转发，效率极高。
3.四种负载模式NAT,DR,TUN,FULLNAT，
其中DR\TUN模式实现单臂路由及数据包返回用户，不在经过负载均衡器本身。
4.DR模式是其常用负载模式。
5.更完善的高可用支持（keepalived）。
LVS缺点：
1.只支持四层负载转发，不能实现基于URL7层转发能功能。
2.最常用的DR模式不支持端口转换功能。
2.nginx和haproxy优点
1.基于四层负载，并通过【代理】代替用户请求后端节点实现负载功能。
2.负载服务器占用双倍连接，并且数据返回依然会经过负载均衡器（收费站模式）。
3.既可以实现四层负载，还可以实现7层负载。
4.还可以实现web服务及缓存功能（nginx专有，haproxy仅专注于代理）
5.nginx作为Web和7层负载更流行（使用的人更多）
nginx和haproxy缺点：
1.效率及并发能力不如LVS，代理模式。
2.nginx四层负载太新（近几年才开发出来。）。
3.haproxy做负载更专业，但没有nginx在web上使用更流行。
企业中到底如何选择？
1.需要四层负载且高并发（3万以上），选LVS，否则就选nginx或haproxy。
2.nginx有web服务及缓存功能及4和7层负载功能，且配置简单（常规选Nginx）。
3.haproxy仅专注于负载均衡，在负载算法和健康检查等好于nginx，但不足以让普通用户选择。nginx四层负载均衡（tcp/ip，ip:port）
扩展作业：haproxy负载搞定
通过ip:port实现负载均衡
Nginx负载形式，基于【代理】的方式，而非转发的模式。
场景1： 基于四层IP+端口代理
场景2： 四层结合七层（实现4，7层由不同的负载均衡器调度）
LVS负载形式，基于【转发】请求方式（内核级别转发）
场景1： 基于四层（NAT\DR\tun\fullnat）转发
场景2： 四层+七层实现大规模高并发集群场景nginx四层负载均衡实现主要就是stream模块
1）stream模块官方说明：
http://nginx.org/en/docs/stream/ngx_stream_core_module.html#stream
The ngx_stream_core_module module is available since version 1.9.0. This module is not built by default, it should be enabled with the --with-stream configuration parameter.
2）检查nginx支持--with-stream情况
nginx -V 2>oldboy.log
egrep '\-\-with-stream' oldboy.log
3）学员博客：
https://www.cnblogs.com/gongjingyun123--/p/11424424.html
4）stream模块语法
Syntax: stream { ... }
Default: —
Context: main nginx四层负载均衡实践：
1）环境
lb4-01 10.0.0.15
lb4-02 10.0.0.16
2）安装nginx+keepalived
3）生产场景1：实现MySQL数据库负载均衡
四层代理：10.0.0.15 172.16.1.15
DB节点：172.16.1.7 172.16.1.51
步骤：
1.克隆10.0.0.15
2.检查负载的节点正常172.16.1.7 172.16.1.51
3.配置lb4-01 10.0.0.15
4.测试
[root@lb4-01 ~]# vim /etc/nginx/nginx.conf +12
注意要在http标签外面加上如下几行
stream {
include /etc/nginx/stream_conf.d/*.conf;
}
mkdir /etc/nginx/stream_conf.d/
[root@lb4-01 nginx]# cd /etc/nginx/stream_conf.d/
[root@lb4-01 stream_conf.d]# cat 01_lb4-mysql.conf
upstream mysql{
server 172.16.1.51:3306;
server 172.16.1.7:3306; #开启mariadb
}
server {
listen 3306; #监听的机器本地不能有3306端口。
proxy_pass mysql;
}
nginx -t
systemctl restart nginx
注意：此场景用于代理各类tcp应用，比如，k8s集群，数据库集群，中间件应用服务器集群。
注意：
1.nginx.conf里不允许多个stream标签。
2.stream标签配置为主配置文件nginx.conf main区段。
3.可以在主配置的stream标签里嵌入include /etc/nginx/stream_conf.d/*.conf;
4.nginx.conf 里的 include /etc/nginx/conf.d/*.conf; 这个要注释掉，不然跟stream 80冲突，要不然stream里的80通过10.0.0.15:80监听
#安装Navicat for MySQL或使用Phpmyadmin进行测试场景2：实现nginx4层+Nginx多七层代理+多Web节点
大并发： www:10.0.0.15-----10.0.0.5/10.0.0.6----->172.16.1.7/172.16.1.7
不需要高并发：blog:10.0.0.5/10.0.0.6----->172.16.1.7/172.16.1.7
四层代理：10.0.0.15 172.16.1.15
四层代理：10.0.0.16 172.16.1.16
L7层代理：172.16.1.5 172.16.1.5
L7层代理：172.16.1.6 172.16.1.6
Web节点：172.16.1.7 172.16.1.8
==1）四层负载均衡(lb4-01) 10.0.0.15：
完整配置如下：
[root@lb4-01 stream_conf.d]# cat 02_web.conf
upstream proxy_7 {
server 10.0.0.5:80;
server 10.0.0.6:80;
}
server {
listen 80;
proxy_pass proxy_7; #注意，不带HTTP。
#proxy_protocol on; #开启proxy_protocol协议
}
注意别忘了：
1.stream里的监听80端口不能和7层的监听80冲突。
因此，注释结尾 #include /etc/nginx/conf.d/*.conf;
2.指定VIP listen 10.0.0.17:80;
nginx -t
systemctl restart nginx七层负载均衡(lb01,lb02)
[root@lb01 conf.d]# cat 03_www.etiantian.org.conf
upstream www {
server 172.16.1.7 weight=1 ; #默认80端口
server 172.16.1.8 weight=1; #默认80端口
}
server {
listen 80;
server_name www.etiantian.org;
location / {
proxy_pass http://www;
proxy_set_header Host $http_host;
}
}
nginx -t
systemctl restart nginx
[root@lb02 conf.d]# cat 03_www.etiantian.org.conf
upstream www {
server 172.16.1.7 weight=1 ; #默认80端口
server 172.16.1.8 weight=1; #默认80端口
}
server {
listen 80;
server_name www.etiantian.org;
location / {
proxy_pass http://www;
proxy_set_header Host $http_host;
}
}
nginx -t
systemctl restart nginx部署web01,web02
[root@lb01 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 172.16.1.7
web01
[root@lb01 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 172.16.1.8
web02
[root@web02 conf.d]# cat 02_www.etiantian.org.conf
server {
listen 80;
server_name www.etiantian.org;
root /data/www;
location / {
index index.html;
}
}必要测试步骤;测试早前配置的7层代理情况
[root@lb4-01 nginx]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.5
web01
[root@lb4-01 nginx]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.5
web02
[root@lb4-01 nginx]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.6
web01
[root@lb4-01 nginx]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.6
web02
测试L4(15)---L7(5,6)--->Web(7,8)
[root@web02 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.15
web01
[root@web02 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.15
web01
[root@web02 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.15
web02
[root@web02 conf.d]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.15
web02场景3：实现nginx4层+Nginx多七层代理+多Web节点【获取真实用户IP地址】
四层负载均衡
http://nginx.org/en/docs/stream/ngx_stream_proxy_module.html#proxy_protocol
开启proxy_protocol协议
proxy_protocol on;
语法
Syntax: proxy_protocol on | off;
Default:
proxy_protocol off;
Context: stream, server
This directive appeared in version 1.9.2.
Enables the PROXY protocol for connections to a proxied server.
http://www.haproxy.org/download/1.8/doc/proxy-protocol.txt
https://www.nixops.me/articles/PROXY_protocol_pass_client_ip.html
使用PROXY protocol获取客户IP
8月 29日, 2017年
获取客户IP是常见的需求，对于大流量的项目都会使用反向代理、负载均衡等，甚至多重代理，导致架构和网络都比较复杂，在这种情况下获取IP就不那么容易了。七层代理可以通过添加头信息来实现，如http协议的X-Forword-For，还比较方便；四层代理基本无法简单的获取到客户端IP地址，像LVS的FULLNAT模式，前端LVS把真实IP写在TCP option里面，后端服务器用内核toa模块获取客户IP；haproxy配合TPROXY也是类似的方式实现，两者都需编译内核非常麻烦，这种情况下就可以考虑使用代理协议
一、代理协议简介
代理协议即 PROXY protocol,是haproxy的作者Willy Tarreau于2010年开发和设计的一个Internet协议，通过为tcp添加一个很小的头信息，来方便的传递客户端信息（协议栈、源IP、目的IP、源端口、目的端口等)，在网络情况复杂又需要获取客户IP时非常有用。如：
多层NAT网络
TCP代理（四层）或多层tcp代理
https反向代理http(某些情况下由于Keep-alive导致不是每次请求都传递x-forword-for)
代理协议分为v1和v2两个版本，v1人类易读，v2是二进制格式，方便程序处理。Proxy protocol是比较新的协议，但目前已经有很多软件支持，如haproxy、nginx、apache、squid、mysql等等，要使用proxy protocol需要两个角色sender和receiver,sender在与receiver之间建立连接后，会先发送一个带有客户信息的tcp header,因为更改了tcp协议，需receiver也支持proxy protocol，否则不能识别tcp包头，导致无法成功建立连接。#配置开启proxy_protocol，lb4-01(10.0.0.15)
[root@lb4-01 stream_conf.d]# cat 02_web.conf
upstream proxy_7 {
server 172.16.1.5:80;
server 172.16.1.6:80;
}
server {
listen 80;
proxy_pass proxy_7; #注意，不带HTTP。
proxy_protocol on; #开启proxy_protocol协议==================
}
nginx -t
systemctl reload nginx
#七层负载均衡(lb01,lb02)10.0.0.5/6
upstream www {
server 172.16.1.7:80;
server 172.16.1.8:80;
}
server {
listen 80 proxy_protocol; #添加proxy_protocol
server_name www.etiantian.org;
set_real_ip_from 172.16.1.0/24; #添加七层负载前经过的代理IP地址
real_ip_header proxy_protocol; #将proxy_protocol获取的IP赋值给$remote_addr
location / {
proxy_pass http://www;
proxy_set_header Host $http_host;
proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_protocol_addr;
#将proxy_protocol真实客户端的IP地址赋值给X-Forwarded-For变量携带至后端
proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
##不加下面两条，可能会报错nginx: [warn] could not build optimal proxy_headers_hash, you should increase either proxy_headers_hash_max_size: 512 #or proxy_headers_hash_bucket_size: 64; ignoring proxy_headers_hash_bucket_size
proxy_headers_hash_max_size 51200;
proxy_headers_hash_bucket_size 6400;
}
}
测试
[root@web01 nginx]$tail -f /var/log/nginx/access.log
172.16.1.5 - - [26/Dec/2022:16:38:25 +0800] "GET / HTTP/1.0" 304 0 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/86.0.4240.198 Safari/537.36" "10.0.0.1, 10.0.0.15"
172.16.1.5 - - [26/Dec/2022:16:38:26 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/86.0.4240.198 Safari/537.36" "10.0.0.1, 10.0.0.15"
172.16.1.5 - - [26/Dec/2022:16:38:27 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/86.0.4240.198 Safari/537.36" "10.0.0.1, 10.0.0.15"
最后面显示用户真实和代理ip"10.0.0.1, 10.0.0.15"Nginx多级代理，获取客户端真实请求ip以及每级代理ip
https://blog.csdn.net/simonchi/article/details/53944308
haproxy + nginx + proxy protocol 获得客户真实IP方法
https://www.cnblogs.com/hh2737/p/8951872.html
测试众多nginx http变量值
[root@web01 conf.d]# cat 02_www.etiantian.org.conf
server {
listen 80;
server_name www.etiantian.org;
root /data/www;
location / {
#index index.html;
return 200 "web01，老男孩Linux77最优班级\n
remote_addr: $remote_addr\n
proxy_add_x_forwarded_for:$proxy_add_x_forwarded_for\n
proxy_protocol_addr: $proxy_protocol_addr\n
http_x_forwarded_for:$http_x_forwarded_for\n";
}
}从DB01访问：10.0.0.51---10.0.0.15----172.16.1.5----172.16.1.7
[root@db01 ~]# curl -H"host:www.etiantian.org" 10.0.0.15
web01，老男孩Linux77最优班级
remote_addr: 172.16.1.5
proxy_add_x_forwarded_for:10.0.0.51, 172.16.1.5
http_x_forwarded_for:10.0.0.51
更改web01主配置日志测试：
log_format access '-$proxy_protocol_addr-,--$remote_addr--,---$http_x_forwarded_for---,----$proxy_add_x_forwarded_for----,$remote_user,$time_local,$host,$request,$status,$http_referer,$HTTP_X_UP_CALLING_LINE_ID,$request_time,$http_user_agent $upstream_addr $upstream_response_time $upstream_cache_status';
access_log /var/log/nginx/access.log access;
---,--172.16.1.5--,---10.0.0.51, 10.0.0.15---,----10.0.0.51, 10.0.0.15, 172.16.1.5----
-$proxy_protocol_addr-,--$remote_addr--,---$http_x_forwarded_for---,----$proxy_add_x_forwarded_for----日志结果：
[root@web01 conf.d]# tail /var/log/nginx/access.log
---,--172.16.1.5--,---10.0.0.51---,----10.0.0.51, 172.16.1.5----,-,01/Aug/2021:17:17:29 +0800,www.etiantian.org,GET / HTTP/1.0,200,-,-,0.000,curl/7.29.0 - - -
---,--172.16.1.5--,---10.0.0.51---,----10.0.0.51, 172.16.1.5----,-,01/Aug/2021:17:17:31 +0800,www.etiantian.org,GET / HTTP/1.0,200,-,-,0.000,curl/7.29.0 - - -
nginx多层代理获取客户端的真实ip总结：
1、要有http_realip_module模块支持
2、在nginx.conf文件中
proxy_pass http://www; #添加下面三行
proxy_set_header Host $host;
proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
3、在每一层nginx日志中的打印的"$http_x_forwarded_for"就是真实客户端的ip地址。
4、后台服务器获取真实的客户端ip地址：
headers中的X-Forwarded-For选项中逗号前第一个ip就是真实客户端ip
日志中获取真实ip: $http_x_forwarded_for 就是获取真实ip的变量
log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
'$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
'"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
提示：
1、set_real_ip_from 是指接受从哪个信任前代理处获得真实用户ip
2、real_ip_header 是指从接收到报文的哪个http首部去获取前代理传送的用户ip
3、real_ip_recursive 是否递归地排除直至得到用户ip（默认为off）
首先，real_ip_header 指定一个http首部名称，默认是X-Real-Ip，假设用默认值的话，nginx在接收到报文后，会查看http首部X-Real-Ip。
（1）如果有1个IP，它会去核对，发送方的ip是否在set_real_ip_from指定的信任ip列表中。如果是被信任的，它会去认为这个X-Real-Ip中的IP值是前代理告诉自己的，用户的真实IP值，于是，它会将该值赋值给自身的$remote_addr变量；如果不被信任，那么将不作处理，那么$remote_addr还是发送方的ip地址。
（2）如果X-Real-Ip有多个IP值，比如前一方代理是这么设置的：proxy_set_header X-Real-Ip $proxy_add_x_forwarded_for;
得到的是一串IP，那么此时real_ip_recursive的值就至关重要了。nginx将会从ip列表的右到左，去比较set_real_ip_from 的信任列表中的ip。
如果real_ip_recursive为off，那么，当最右边一个IP，发现是信任IP，即认为下一个IP（右边第二个）就是用户的真正IP；
如果real_ip_recursive为on，那么将从右到左依次比较，知道找到一个不是信任IP为止。
然后同样把IP值复制给$remote_addr。http_proxy_module相关参数
相关重要参数 参数说明
proxy_pass http://server_pools; 通过proxy_pass功能把用户的请求转向到反向代理定义的upstream服务器池
proxy_set_header Host $host; 在代理向后端服务器发送的http请求头中加入host字段信息，用于当后端服务器配置有多个虚拟主机时，可以识别代理的是哪个虚拟主机。这是节点服务器多虚拟主机时的关键配置
proxy_set_header X-Forwarded-For $remote_addr; 在代理向后端服务器发送的http请求头中加入X-Forwarded-For字段信息，用于后端服务器程序、日志等接收记录真实用户的IP，而不是代理服务器IP。
这是反向代理时，节点服务器获取用户真实IP的必要功能配置
[root@web02 conf.d]# tail -f /var/log/nginx/access.log
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:45:59 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "-"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:46:00 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "-"
log_format main '$remote_addr - $remote_user [$time_local] "$request" '
'$status $body_bytes_sent "$http_referer" '
'"$http_user_agent" "$http_x_forwarded_for"';
access_log /var/log/nginx/access.log main;
结果：
$remote_addr 172.16.1.5
$http_x_forwarded_for -
3. 经过7层反向代理后的节点服务器记录用户IP企业案例
[root@lb01 conf.d]# cat 03_www.etiantian.org.conf
upstream www {
server 172.16.1.7 weight=1 ; #默认80端口
server 172.16.1.8 weight=1; #默认80端口
}
server {
listen 80;
server_name www.etiantian.org;
location / {
proxy_pass http://www;
proxy_set_header Host $http_host;
proxy_set_header X-Forwarded-For $remote_addr;
<==在代理向后端服务器发送的http请求头中加入X-Forwarded-For字段信息，用于后端服务器程序、日志等接收记录真实用户的IP，而不是代理服务器的IP。
}
}
[root@lb01 conf.d]# nginx -t
[root@lb01 conf.d]# systemctl restart nginx
测试：使用DB01或者浏览器测试
[root@db01 ~]# curl -H"host:www.etiantian.org" 172.16.1.5
web01
[root@db01 ~]# curl -H"host:www.etiantian.org" 172.16.1.5
web02
[root@web02 conf.d]# tail -f /var/log/nginx/access.log
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:45:59 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "-"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:46:00 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "-"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:51:21 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "172.16.1.5"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:51:52 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "curl/7.29.0" "172.16.1.51"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:52:23 +0800] "GET /favicon.ico HTTP/1.0" 404 555 "http://www.etiantian.org/" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/90.0.4430.212 Safari/537.36" "10.0.0.1"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:52:25 +0800] "GET /favicon.ico HTTP/1.0" 404 555 "http://www.etiantian.org/" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/90.0.4430.212 Safari/537.36" "10.0.0.1"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:52:28 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/90.0.4430.212 Safari/537.36" "10.0.0.1"
172.16.1.5 - - [02/Aug/2021:16:52:28 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 6 "-" "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/90.0.4430.212 Safari/537.36" "10.0.0.1"
看结尾$http_x_forwarded_for列如果出现访问的客户的真实IP就对了
浏览器访问的结果，真实IP是10.0.0.1，如果通过db01访问真实IP就是172.16.1.51
结果：
$remote_addr依然是172.16.1.5，上级代理IP
$http_x_forwarded_for 10.0.0.1
nginx反向代理的若干参数说明：
fastcgi_pass
http://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_fastcgi_module.html
proxy_pass
http://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_proxy_module.html
uwsgi_pass
http://nginx.org/en/docs/http/ngx_http_uwsgi_module.html
扩展：搭建nginx cache服务 作为静态web服务的前端缓存。
https://blog.csdn.net/dengjiexian123/article/details/53386586
