使用HAProxy做负载均衡

使用HAProxy做负载均衡

一、概念

HAProxy是一个使用C语言编写的自由及开放源代码软件[1]，其提供高可用性、负载均衡，以及基于TCP和HTTP的应用程序代理。

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) 实现所有这些任务，所以没有这些问题。此模型的弊端是，在多核系统上，这些程序通常扩展性较差。这就是为什么他们必须进行优化以 使每个CPU时间片(Cycle)做更多的工作。

二、技术特点

HAProxy相比LVS的使用要简单很多，功能方面也很丰富。当 前，HAProxy支持两种主要的代理模式:”tcp”也即4层（大多用于邮件服务器、内部协议通信服务器等），和7层（HTTP）。在4层模式 下，HAProxy仅在客户端和服务器之间转发双向流量。7层模式下，HAProxy会分析协议，并且能通过允许、拒绝、交换、增加、修改或者删除请求 (request)或者回应(response)里指定内容来控制协议，这种操作要基于特定规则。

HAProxy性能

HAProxy借助于OS上几种常见的技术来实现性能的最大化。

1、单进程、事件驱动模型显著降低了上下文切换的开销及内存占用。

2 、O(1)事件检查器(event checker)允许其在高并发连接中对任何连接的任何事件实现即时探测。

3、在任何可用的情况下，单缓冲(single buffering)机制能以不复制任何数据的方式完成读写操作，这会节约大量的CPU时钟周期及内存带宽；

4、借助于Linux 2.6 (>= 2.6.27.19)上的splice()系统调用，HAProxy可以实现零复制转发(Zero-copy forwarding)，在Linux 3.5及以上的OS中还可以实现零复制启动(zero-starting)；

5、内存分配器在固定大小的内存池中可实现即时内存分配，这能够显著减少创建一个会话的时长；

6、树型存储：侧重于使用作者多年前开发的弹性二叉树，实现了以O(log(N))的低开销来保持计时器命令、保持运行队列命令及管理轮询及最少连接队列；

7、优化的HTTP首部分析：优化的首部分析功能避免了在HTTP首部分析过程中重读任何内存区域；

8、精心地降低了昂贵的系统调用，大部分工作都在用户空间完成，如时间读取、缓冲聚合及文件描述符的启用和禁用等；

所有的这些细微之处的优化实现了在中等规模负载之上依然有着相当低的CPU负载，甚至于在非常高的负载场景中，5%的用户空间占用率和95%的系统空间占用率也是非常普遍的现象，这意味着HAProxy进程消耗比系统空间消耗低20倍以上。因此，对OS进行性能调优是非常重要的。即使用户空间的占用率提高一倍，其CPU占用率也仅为10%，这也解释了为何7层处理对性能影响有限这一现象。由此，在高端系统上HAProxy的7层性能可轻易超过硬件负载均衡设备。

在生产环境中，在7层处理上使用HAProxy作为昂贵的高端硬件负载均衡设备故障故障时的紧急解决方案也时长可见。硬件负载均衡设备在“报文”级别处理请求，这在支持跨报文请求(request across multiple packets)有着较高的难度，并且它们不缓冲任何数据，因此有着较长的响应时间。对应地，软件负载均衡设备使用TCP缓冲，可建立极长的请求，且有着较大的响应时间。

HAProxy优点

1、HAProxy可以作为MySQL、邮件或其它的非web的负载均衡，我们常用于它作为MySQL(读)负载均衡；

2、自带强大的监控服务器状态的页面；

3、HAProxy支持虚拟主机；

4、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；

三、配置文件

haproxy 的配置文件由两部分组成：全局设定和对代理的设定，共分为五段：global，defaults，frontend，backend，listen。

global配置段，用于设定全局配置参数；

proxy相关配置段，如“defaults”、“listen”、“frontend”和“backend”；

* 进程管理及安全相关的参数

– chroot ：修改haproxy的工作目录至指定的目录并在放弃权限之前执行chroot()操作，可以提升haproxy的安全级别，不过需要注意的是要确保指定的目录为空目录且任何用户均不能有写权限；

– daemon：让haproxy以守护进程的方式工作于后台，其等同于“-D”选项的功能，当然，也可以在命令行中以“-db”选项将其禁用；

– gid ：以指定的GID运行haproxy，建议使用专用于运行haproxy的GID，以免因权限问题带来风险；

– group ：同gid，不过指定的组名；

– log

[max level [min level]]：定义全局的syslog服务器，最多可以定义两个；

– log-send-hostname []：在syslog信息的首部添加当前主机名，可以为“string”指定的名称，也可以缺省使用当前主机名；

– nbproc ：指定启动的haproxy进程的个数，只能用于守护进程模式的haproxy；默认只启动一个进程，鉴于调试困难等多方面的原因，一般只在单进程仅能打开少数文件描述符的场景中才使用多进程模式；

– pidfile：指定pidfile路径；

– uid：以指定的UID身份运行haproxy进程；

– ulimit-n：设定每进程所能够打开的最大文件描述符数目，默认情况下其会自动进行计算，因此不推荐修改此选项；Linux默认单进程打开文件数为1024个；

– user：同uid，但使用的是用户名；

– stats：用户访问统计数据的接口；

– node：定义当前节点的名称，用于HA场景中多haproxy进程共享同一个IP地址时；

– description：当前实例的描述信息；

• 性能调整相关的参数
• – maxconn ：设定每个haproxy进程所接受的最大并发连接数，其等同于命令行选项“-n”；“ulimit -n”自动计算的结果正是参照此参数设定的；
• – maxpipes ：haproxy使用pipe完成基于内核的tcp报文重组，此选项则用于设定每进程所允许使用的最大pipe个数；每个pipe会打开两个文件描述符，因此，“ulimit -n”自动计算时会根据需要调大此值；默认为maxconn/4，其通常会显得过大；
• – noepoll：在Linux系统上禁用epoll机制；
• – nokqueue：在BSE系统上禁用kqueue机制；
• – nopoll：禁用poll机制；
• – nosepoll：在Linux禁用启发式epoll机制；
• – nosplice：禁止在Linux套接字上使用内核tcp重组，这会导致更多的recv/send系统调用；不过，在Linux 2.6.25-28系列的内核上，tcp重组功能有bug存在；
• – spread-checks <0..50, in percent>：在haproxy后端有着众多服务器的场景中，在精确的时间间隔后统一对众服务器进行健康状况检查可能会带来意外问题；此选项用于将其检查的时间间隔长度上增加或减小一定的随机时长；
• – tune.bufsize ：设定buffer的大小，同样的内存条件小，较小的值可以让haproxy有能力接受更多的并发连接，较大的值可以让某些应用程序使用较大的cookie信息；默认为16384，其可以在编译时修改，不过强烈建议使用默认值；
• – tune.chksize ：设定检查缓冲区的大小，单位为字节；更大的值有助于在较大的页面中完成基于字符串或模式的文本查找，但也会占用更多的系统资源；不建议修改；
• – tune.maxaccept ：设定haproxy进程内核调度运行时一次性可以接受的连接的个数，较大的值可以带来较大的吞吐率，默认在单进程模式下为100，多进程模式下为8，设定为-1可以禁止此限制；一般不建议修改；
• – tune.maxpollevents ：设定一次系统调用可以处理的事件最大数，默认值取决于OS；其值小于200时可节约带宽，但会略微增大网络延迟，而大于200时会降低延迟，但会稍稍增加网络带宽的占用量；
• – tune.maxrewrite ：设定为首部重写或追加而预留的缓冲空间，建议使用1024左右的大小；在需要使用更大的空间时，haproxy会自动增加其值；
• – tune.rcvbuf.client ：
• – tune.rcvbuf.server ：设定内核套接字中服务端或客户端接收缓冲的大小，单位为字节；强烈推荐使用默认值；

proxy相关配置段：

“defaults”段用于为所有其它配置段提供默认参数，这配置默认配置参数可由下一个“defaults”所重新设定。

“frontend”段用于定义一系列监听的套接字，这些套接字可接受客户端请求并与之建立连接。

“backend”段用于定义一系列“后端”服务器，代理将会将对应客户端的请求转发至这些服务器。

“listen”段通过关联“frontend”和“backend”定义了一个完整的代理，通常只对TCP流量有用。

所有代理的名称只能使用大写字母、小写字母、数字、-(中线)、_(下划线)、.(点号)和:(冒号)。此外，ACL名称会区分字母大小写。

Balance关键字

定义负载均衡算法，可用于“defaults”、“listen”和“backend”。用于在负载均衡场景中挑选一个server，其仅应用于持久信息不可用的条件下或需要将一个连接重新派发至另一个服务器时。

支持的算法有：

roundrobin：基于权重进行轮叫，在服务器的处理时间保持均匀分布时，这是最平衡、最公平的算法。此算法是动态的，这表示其权重可以在运行时进行调整，不过，在设计上，每个后端服务器仅能最多接受4128个连接；并支持慢启动。

static-rr：基于权重进行轮叫，与roundrobin类似，但是为静态方法，在运行时调整其服务器权重不会生效；不过，其在后端服务器连接数上没有限制；不支持慢启动，在高负荷的情况下，服务器重新上线时会立即被分配大量连接。

leastconn（WLC）：适用于长连接的会话，新的连接请求被派发至具有最少连接数目的后端服务器；在有着较长时间会话的场景中推荐使用此算法，如LDAP、SQL等，其并不太适用于较短会话的应用层协议，如HTTP；此算法是动态的，可以在运行时调整其权重；

source：将请求的源地址进行hash运算，并由后端服务器的权重总数相除后派发至某匹配的服务器；这可以使得同一个客户端IP的请求始终被派发至某特定的服务器；不过，当服务器权重总数发生变化时，如某服务器宕机或添加了新的服务器，许多客户端的请求可能会被派发至与此前请求不同的服务器；常用于负载均衡无cookie功能的基于TCP的协议；其默认为静态，不过也可以使用hash-type修改此特性；

1，对原地址hash，第一次调度时使用WLC

source：IP层，位于同一个NAT服务器背后的多个请求都会定向至同一个upstream server，不利于负载均衡，一般只有不支持使用cookie插入又需要保持会话时使用。

cookie：应用层，有更好的负载均衡效果；

2，hash/weight%ip ：除以权重取模

uri：对URI的左半部分(“问题”标记之前的部分)或整个URI进行hash运算，并由服务器的总权重相除后派发至某匹配的服务器；这可以使得对同一个URI的请求总是被派发至某特定的服务器，除非服务器的权重总数发生了变化；此算法常用于代理缓存或反病毒代理以提高缓存的命中率；需要注意的是，此算法仅应用于HTTP后端服务器场景；其默认为静态算法，不过也可以使用hash-type修改此特性；

url_param：通过为URL指定的参数在每个HTTP GET请求中将会被检索；如果找到了指定的参数且其通过等于号“=”被赋予了一个值，那么此值将被执行hash运算并被服务器的总权重相除后派发至某匹配的服务器；此算法可以通过追踪请求中的用户标识进而确保同一个用户ID的请求将被送往同一个特定的服务器，除非服务器的总权重发生了变化；如果某请求中没有出现指定的参数或其没有有效值，则使用轮叫算法对相应请求进行调度；此算法默认为静态的，不过其也可以使用hash-type修改此特性；

hdr()：对于每个HTTP请求，通过指定的HTTP首部将会被检索；如果相应的首部没有出现或其没有有效值，则使用轮叫算法对相应请求进行调度；其有一个可选选项“use_domain_only”，可在指定检索类似Host类的首部时仅计算域名部分(比如通过www.feiyu.com来说，仅计算feiyu字符串的hash值)以降低hash算法的运算量；此算法默认为静态的，不过其也可以使用hash-type修改此特性；

rdp-cookie(name)，表示根据据cookie(name)来锁定并哈希每一次TCP请求。