负载均衡 高并发网关设计原理与实践

"负载均衡在高可用的分布式系统架构中处于核心地位，如何支持高并发、如何提升服务可用性成为互联网从业者的必修课，而本书可谓系统介绍负载均衡的首著！ 爱奇艺网络虚拟化团队基于自己的负载均衡实践编撰本书，从理论到实践，系统地介绍了负载均衡的发展历史、功能、原理、技术、应用和优化等。 本书不仅详细介绍了负载均衡的性能优化和安全设计，同时也深入讨论了多种常见网络协议的性能优化。 作者也分享了对DPVS开源的缘由，以及和开源社区人员一起共建DPVS的一些经验，对开源项目有很大的参考价值！"

本书分为10章。第1章，主要介绍负载均衡技术的背景、发展历史、现状、原理和不同产品。第2章～第5章，主要介绍四层负载均衡和七层负载均衡的工作原理、功能应用和实现方式，以及负载均衡技术在云计算、微服务领域中的应用。第6章～第8章，主要从协议和实现两个层面，深入介绍负载均衡的性能优化和安全设计，并详细介绍基于DPDK技术的高性能并发网关DPVS的设计与实现。第9章，结合负载均衡技术在爱奇艺的落地实践，主要介绍负载均衡服务的部署方法、监控告警、故障处理、性能分析等实例，以及负载均衡技术在云计算、边缘计算中的应用。第10章，简单地展望了未来负载均衡的一些发展趋势。本书主要面向的是负载均衡服务的提供者和使用者、网络技术研发人员、后端服务开发人员，同时也面向对负载均衡技术感兴趣的广大技术爱好者。

爱奇艺网络虚拟化团队，该团队主要负责爱奇艺四层负载均衡及网络出口代理、七层负载均衡及微服务网关、容器网络解决方案等服务，致力于高并发、大流量的网关开发和优化，开发了高性能四层负载均衡器——DPVS，并将其开源。DPVS被国内多个知名大型互联网企业使用。爱奇艺网络虚拟化团队将坚持技术创新、软件开源，希望能在高性能网关方面做出更多的贡献。

第1章负载均衡概述1
1.1从数据中心说起1
1.1.1数据中心的发展历史2
1.1.2超融合数据中心架构和大型互联网架构3
1.2负载均衡必要性分析4
1.2.1负载均衡的作用5
1.2.2场景需求7
1.3负载均衡的产生8
1.3.1负载均衡的历史9
1.3.2负载均衡的现状10
1.3.3负载均衡面临的挑战10
1.4负载均衡的原理11
1.4.1四层负载均衡的原理11
1.4.2七层负载均衡的原理12
1.5典型的负载均衡器介绍13
1.5.1LVS13
1.5.2Nginx15
第2章负载均衡详细介绍18
2.1四层负载均衡技术18
2.1.1经典四层负载均衡器LVS的相关术语19
2.1.2LVS转发模式及配置实例20
2.1.3不同协议下的负载均衡27
2.1.4获取真实的客户端IP地址和端口信息31
2.2七层负载均衡技术33
2.2.1经典七层负载均衡器Nginx的部署架构33
2.2.2Nginx转发粒度控制34
2.2.3获取真实的客户端IP地址和端口信息35
2.3RealServer调度算法35
2.3.1轮询（RR）35
2.3.2加权轮询（WRR）37
2.3.3最少连接调度（LC）39
2.3.4加权最少连接调度（WLC）39
2.3.5一致性哈希（CONNHASH）41
2.3.6连接模板43
第3章负载均衡功能45
3.1基本功能特性46
3.1.1负载均衡器的网络结构47
3.1.2提供外网VIP和流量均衡50
3.1.3提供内网VIP和IDC内部服务54
3.1.4使用SNAT集群提供外网访问56
3.1.5使用SNAT隧道服务无外网出口的IDC58
3.1.6服务隔离和安全控制59
3.2高可用性60
3.2.1使用Keepalived做健康检查60
3.2.2使用VRRP实现主备62
3.2.3使用ECMP实现集群化64
3.2.4使用网卡绑定扩展单网卡流量65
3.3高可扩展性65
3.3.1扩展负载均衡器66
3.3.2扩展后端服务器69
3.4使用BGPAnycast实现多个IDC负载均衡和机房灾备72
第4章现有负载均衡器比较74
4.1四层负载均衡器74
4.1.1硬件实现74
4.1.2软件实现：LinuxVirtualServer（LVS）75
4.1.3软件实现方案对比75
4.2七层负载均衡器76
4.2.1硬件实现76
4.2.2软件实现：HAProxy77
4.2.3实现方案对比：F-Stack与Nginx77
第5章负载均衡与云计算79
5.1负载均衡与弹性计算79
5.2跨区域调度与容灾80
5.3APIGateway82
第6章网络协议优化84
6.1TCP协议优化84
6.2TLS/HTTPS协议优化87
6.2.1TLS/HTTPS协议的性能问题87
6.2.2SessionID及SessionTicket89
6.2.3False-Start93
6.2.4TLS1.3协议94
6.2.5硬件加速卡和计算分离98
6.2.6自动化数字证书管理100
6.3HTTP协议优化和HTTP2.0101
6.4基于UDP的传输协议优化104
6.4.1基于UDP的传输协议简介104
6.4.2QUIC协议优化106
6.5DNS协议优化115
第7章性能优化117
7.1主要性能指标117
7.2性能挑战与分析120
7.2.1C10K问题及C10M问题120
7.2.2LVS性能瓶颈分析121
7.2.3内核成为瓶颈的原因123
7.3高性能四层负载均衡关键技术126
7.3.1KernelBypass技术与DPDK127
7.3.2Share-Nothing思想129
7.3.3避免上下文切换130
7.3.4使用轮询而非中断131
7.3.5避免数据复制131
7.3.6其他技术131
7.4使用DPDK加速四层负载均衡132
7.4.1高性能负载均衡器的架构133
7.4.2高性能负载均衡器功能模块136
7.4.3数据流大图144
7.4.4项目开源的缘由和一些经验147
7.5七层负载均衡性能优化149
7.5.1Nginx调优149
7.5.2内核参数调优152
7.5.3利用近期新内核的特性154
7.5.4利用硬件卸载156
7.6性能测试环境与数据158
7.6.1大并发测试环境158
7.6.2四层负载均衡性能数据160
7.6.3七层负载均衡性能数据161
7.7大容量网卡163
第8章安全设计165
8.1数据中心面临的安全问题165
8.2Syn-flood攻击与防御165
8.3DDoS与流量清洗167
8.4黑名单与ACL167
8.5WAF168
第9章负载均衡实践171
9.1服务配置部署171
9.1.1主备模式与集群模式171
9.1.2部署FullNAT外网集群172
9.1.3部署FullNAT内网集群173
9.1.4部署DR集群175
9.1.5部署SNAT集群175
9.1.6部署SNAT-GRE集群177
9.1.7部署Nginx集群178
9.2监控与故障分析179
9.2.1负载均衡监控指标及基本监控179
9.2.2监控数据成图181
9.2.3线上故障及排查实例182
9.3SLA简介182
9.3.1服务自助化183
9.3.2服务告警183
9.3.3流量异常检测185
9.4集群性能分析186
9.5负载均衡与Kubernetes云原生188
9.5.1负载均衡服务189
9.5.2Ingress190
9.5.3SNAT出网访问192
9.6边缘计算193
第10章展望195