Question

解决了数据链路层的负载问题之后，下面来看 4 层负载均衡技术。

从表 3-1 可以知道，网络协议的 4 层是指传输层，包括 TCP 和 UDP 等协议。

在 W.Richard Stevens 的著作 TCP/IP Illustrated Volume1：The protocols 中，对传输层协议进行了详细而专业的讲解，包括 TCP 和 UDP 的包格式、建立和结束、超时和重传等方面。在此不再进行赘述。

4 层负载均衡的数据格式

下面来看一个实际的 TCP 包例子（文件：Layer4_Load_Balancing_Example.pcap，Frame 1），如图 3-2 所示。

图 3-2　HTTP 请求的 TCP SYN 包信息

所谓的 4 层负载均衡，简单地说，就是由负载均衡设备或者软件（统一称为负载均衡器，Load Balancer）通过 TCP 或者 UDP 的 Header 信息进行直接判断由哪个实际的后端服务器来实际处理该连接，从而进行转发。在这个例子中，可以用于负载均衡的信息是源端口或者目的端口。在实践中，负载均衡器以目的端口进行调度为主。

4 层负载均衡的时序图

4 层负载均衡的一般网络时序图，如图 3-3 所示。

图 3-3　4 层负载均衡的一般网络时序图

简要说明如下。

1）负载均衡器（Load Balancer）在收到来自客户端（Client）TCP SYN 包后，即可进行负载调度。

2）向通过某种算法选择的后端服务器（Real Server）发送 SYN 包。

3）后端服务器收到 SYN 包后，回复 SYN＋ACK。

4）负载均衡器回复 SYN＋ACK 给客户端。

5）客户端回复 ACK。

6）负载均衡器发送 ACK 给后端服务器。此时，客户端、负载均衡器、后端服务器均达到 ESTABLISHED 状态。

7）客户端开始发送请求数据，经过负载均衡转发到后端服务器。

由此，可以总结出 4 层负载均衡有如下特点。

- 模型简单。负载均衡器不需要关心业务逻辑，只进行负载调度、网络转发和对后端服务器的健康检查。

- 吞吐量大。依据上条分析，CPU 处理逻辑简单，相对于更高层次的负载均衡，可以提供更大的吞吐量。

- 应用范围广。工作在 4 层，所以它几乎可以对所有应用做负载均衡，包括 HTTP、数据库、在线聊天室等。

4 层负载均衡的使用场景，可以总结为以下 2 种。

- 要求较高的吞吐量。

- 后端服务器的业务逻辑为私有实现，无法直接获取到应用层业务逻辑。