一、LVS

1、简介

LVS 是 Linux Virtual Server 的简称，也就是 Linux 虚拟服务器。
现在 LVS 已经是 Linux 标准内核的一部分，从 Linux2.4 内核以后，已经完全内置了 LVS 的各个功能模块，无需给内核打任何补丁，可以直接使用 LVS 提供的各种功能。

LVS 不像 HAProxy 等七层软负载面向的是 HTTP 包，所以七层负载可以做的 URL 解析等工作，LVS 无法完成。
LVS 是四层负载均衡，也就是说建立在 OSI 模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP 的负载均衡。因为 LVS 是四层负载均衡，因此它相对于其它高层负载均衡的解决办法，比如 DNS 域名轮流解析、应用层负载的调度、客户端的调度等，它的效率是非常高的。

所谓四层负载均衡 ，也就是主要通过报文中的目标地址和端口。
七层负载均衡 ，也称为“内容交换”，也就是主要通过报文中的真正有意义的应用层内容。
LVS 的转发主要通过修改 IP 地址（NAT 模式，分为源地址修改 SNAT 和目标地址修改 DNAT）、修改目标 MAC（DR 模式）来实现。

2、NAT 模式：网络地址转换

NAT（Network Address Translation）是一种外网和内网地址映射的技术。
NAT 模式下，网络数据报的进出都要经过 LVS 的处理。LVS 需要作为 RS（真实服务器）的网关。
当包到达 LVS 时，LVS 做目标地址转换（DNAT），将目标 IP 改为 RS 的 IP。
RS 接收到包以后，仿佛是客户端直接发给它的一样。RS 处理完，返回响应时，源 IP 是 RS IP，目标 IP 是客户端的 IP。这时 RS 的包通过网关（LVS）中转，LVS 会做源地址转换（SNAT），将包的源地址改为 VIP，这样，这个包对客户端看起来就仿佛是 LVS 直接返回给它的。

3、DR 模式：直接路由

DR 模式下需要 LVS 和 RS 集群绑定同一个 VIP（RS 通过将 VIP 绑定在 loopback 实现），
但与 NAT 的不同点在于：请求由 LVS 接受，由真实提供服务的服务器（RealServer，RS）直接返回给用户，返回的时候不经过 LVS。

仔细来说，一个请求过来时，LVS 只需要将网络帧的 MAC 地址修改为某一台 RS 的 MAC，
该包就会被转发到相应的 RS 处理，注意此时的源 IP 和目标 IP 都没变，LVS 只是做了一下移花接木。
RS 收到 LVS 转发来的包时，链路层发现 MAC 是自己的，到上面的网络层，发现 IP 也是自己的，
于是这个包被合法地接受，RS 感知不到前面有 LVS 的存在。而当 RS 返回响应时，只要直接向源 IP（即用户的 IP）返回即可，不再经过 LVS。

4、LVS优缺点

1、抗负载能力强。抗负载能力强、性能高，能达到F5硬件的60%；对内存和cpu资源消耗比较低
2、工作在网络4层，通过vrrp协议转发（仅作分发之用），具体的流量由linux内核处理，因此没有流量的产生。
3、应用范围比较广，可以对所有应用做负载均衡；
4、不支持正则处理，不能做动静分离。
5、支持负载均衡算法：rr（轮循）、wrr（带权轮循）、lc（最小连接）、wlc（权重最小连接）
6、配置 复杂，对网络依赖比较大，稳定性很高。
7、稳定性、可靠性好，自身有完美的热备方案；（如：LVS+Keepalived）

二、Nginx

1、简介

Nginx 是一个强大的 Web 服务器软件，用于处理高并发的 HTTP 请求和作为反向代理服务器做负载均衡。
具有高性能、轻量级、内存消耗少，强大的负载均衡能力等优势。

相对于传统基于进程或线程的模型（Apache就采用这种模型）在处理并发连接时会为每一个连接建立一个单独的进程或线程，且在网络或者输入/输出操作时阻塞。这将导致内存和 CPU 的大量消耗，因为新起一个单独的进程或线程需要准备新的运行时环境，包括堆和栈内存的分配，以及新的执行上下文，当然，这些也会导致多余的 CPU 开销。最终，会由于过多的上下文切换而导致服务器性能变差。

Nginx 的架构设计是采用模块化的、基于事件驱动、异步、单线程且非阻塞。
Nginx 大量使用多路复用和事件通知，Nginx 启动以后，会在系统中以 daemon 的方式在后台运行，其中包括一个 master 进程，n(n>=1) 个 worker 进程。所有的进程都是单线程（即只有一个主线程）的，且进程间通信主要使用共享内存的方式。

其中master 进程用于接收来自外界的信号，并给 worker 进程发送信号，同时监控 worker 进程的工作状态。worker 进程则是外部请求真正的处理者，每个 worker 请求相互独立且平等的竞争来自客户端的请求。请求只能在一个 worker 进程中被处理，且一个 worker 进程只有一个主线程，所以同时只能处理一个请求

2、Nginx 负载均衡

Nginx 负载均衡主要是对七层网络通信模型中的第七层应用层上的 http、https 进行支持。
Nginx 是以反向代理的方式进行负载均衡的。反向代理（Reverse Proxy）方式是指以代理服务器来接受 Internet 上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给 Internet 上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个服务器。

Nginx 实现负载均衡的分配策略有很多，Nginx 的 upstream 目前支持以下几种方式：
  轮询（默认）：每个请求按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器，如果后端服务器 down 掉，能自动剔除。
  weight：指定轮询几率，weight 和访问比率成正比，用于后端服务器性能不均的情况。
  ip_hash：每个请求按访问 ip 的 hash 结果分配，这样每个访客固定访问一个后端服务器，可以解决 session 的问题。
  fair（第三方）：按后端服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。
  url_hash（第三方）：按访问 url 的 hash 结果来分配请求，使每个 url 定向到同一个后端服务器，后端服务器为缓存时比较有效。

3、Ngnix优缺点

1、工作在网络的7层之上，可以针对http应用做一些分流的策略，比如针对域名、目录结构；
2、Nginx对网络的依赖比较小，理论上能ping通就就能进行负载功能；
3、Nginx安装和配置比较简单，测试起来比较方便；
4、内存消耗小：处理大并发的请求内存消耗非常小。在3万并发连接下，开启的10个 Nginx 进程才消耗150M 内存（15M*10=150M）；
5、对后端服务器的健康检查，只支持通过端口来检测，不支持通过url来检测。
6、Nginx对请求的异步处理可以帮助节点服务器减轻负载；
7、Nginx仅能支持http、https和Email协议，这样就在适用范围较小。
8、不支持Session的直接保持，但能通过ip_hash来解决。、对Big request header的支持不是很好，
9、支持负载均衡算法：Round-robin（轮循）、Weight-round-robin（带权轮循）、Ip-hash（Ip哈希）
10、Nginx还能做Web服务器即Cache功能。

三、HAProxy

1、简介

HAProxy提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP应用的代理，支持虚拟主机，它是免费、快速并且可靠的一种解决方案。HAProxy特别适用于那些负载特大的web站点，这些站点通常又需要会话保持或七层处理。HAProxy运行在当前的硬件上，完全可以支持数以万计的并发连接。并且它的运行模式使得它可以很简单安全的整合进您当前的架构中， 同时可以保护你的web服务器不被暴露到网络上。
HAProxy实现了一种事件驱动, 单一进程模型，此模型支持非常大的并发连接数。多进程或多线程模型受内存限制 、系统调度器限制以及无处不在的锁限制，很少能处理数千并发连接。事件驱动模型因为在有更好的资源和时间管理的用户空间(User-Space) 实现所有这

2、负载平衡的类型

1）无负载平衡：没有负载平衡的简单Web应用程序环境

用户直接连接到您的Web服务器，在yourdomain.com上，并且没有负载平衡。如果您的单个Web服务器出现故障，用户将无法再访问您的Web服务器。此外，如果许多用户试图同时访问您的服务器并且无法处理负载，他们可能会遇到缓慢的体验，或者可能根本无法连接。

2）4层负载平衡：

将网络流量负载平衡到多个服务器的最简单方法是使用第4层（传输层）负载平衡。以这种方式进行负载均衡将根据IP范围和端口转发用户流量（即，如果请求进入http://yourdomain.com/anything，则流量将转发到处理yourdomain.com的所有请求的后端。端口80）。

用户访问负载均衡器，负载均衡器将用户的请求转发给后端服务器的Web后端组。无论选择哪个后端服务器，都将直接响应用户的请求。通常，Web后端中的所有服务器应该提供相同的内容 - 否则用户可能会收到不一致的内容。

3）7层负载平衡：

7层负载平衡是更复杂的负载均衡网络流量的方法是使用第7层（应用层）负载均衡。使用第7层允许负载均衡器根据用户请求的内容将请求转发到不同的后端服务器。这种负载平衡模式允许您在同一域和端口下运行多个Web应用程序服务器。

如果用户请求yourdomain.com/blog，则会将其转发到博客后端，后端是一组运行博客应用程序的服务器。其他请求被转发到web-backend，后端可能正在运行另一个应用程序。

3、HAProxy优缺点

1、HAProxy 支持两种代理模式 TCP（四层）和HTTP（七层），也是支持虚拟主机的。
2、HAProxy 的优点能够补充 Nginx 的一些缺点，比如支持 Session 的保持，Cookie 的引导；同时支持通过获取指定的 url 来检测后端服务器的状态。
3、HAProxy 跟 LVS 类似，本身就只是一款负载均衡软件；单纯从效率上来讲 HAProxy 会比 Nginx 有更出色的负载均衡速度，在并发处理上也是优于 Nginx 的。
4、HAProxy 支持 TCP 协议的负载均衡转发，可以对 MySQL 读进行负载均衡，对后端的 MySQL 节点进行检测和负载均衡，大家可以用 LVS+Keepalived 对 MySQL 主从做负载均衡。
5、支持url检测后端的服务器出问题的检测会有很好的帮助。
6、HAProxy 负载均衡策略非常多：Round-robin（轮循）、Weight-round-robin（带权轮循）、source（原地址保持）、RI（请求URL）、rdp-cookie（根据cookie）.更多的负载均衡策略比如：动态加权轮循(Dynamic Round Robin)，加权源地址哈希(Weighted Source Hash)，加权URL哈希和加权参数哈希(Weighted Parameter Hash)已经实现
7、不能做Web服务器即Cache。
8、根据官方文档，HAProxy可以跑满10Gbps-New benchmark of HAProxy at 10 Gbps using Myricom's 10GbE NICs (Myri-10G PCI-Express)，这个作为软件级负载均衡，也是比较惊人的；
9、HAProxy支持虚拟主机
10、经过官方测试统计，haproxy 单位时间处理的最大请求数为20000个，可以同时维护40000-50000个并发连接，最大数据处理能力为10Gbps。综合上述，haproxy是性能优越的负载均衡、反向代理服务器。

三大主流软件负载均衡器适用业务场景：

1、网站建设初期，可以选用Nigix/HAproxy作为反向代理负载均衡（或者流量不大都可以不选用负载均衡），因为其配置简单，性能也能满足一般的业务场景。如果考虑到负载均衡器是有单点问题，可以采用Nginx+Keepalived/HAproxy+Keepalived避免负载均衡器自身的单点问题。
2、网站并发达到一定程度之后，为了提高稳定性和转发效率，可以使用LVS、毕竟LVS比Nginx/HAproxy要更稳定，转发效率也更高。不过维护LVS对维护人员的要求也会更高，投入成本也更大。

注：Niginx与Haproxy比较：Niginx支持七层、用户量最大，稳定性比较可靠。Haproxy支持四层和七层，支持更多的负载均衡算法，支持session保存等。具体选型看使用场景，目前来说Haproxy由于弥补了一些Niginx的缺点用户量也不断在提升。

衡量负载均衡器好坏的几个重要因素： 
1、会话率 ：单位时间内的处理的请求数 
2、会话并发能力：并发处理能力 
3、数据率：处理数据能力