GCP 網路負載平衡（Network Load Balancing）

核心觀念

什麼是負載平衡？

負載平衡是一種分散技術，用於將進來的網路流量均勻地分配到多個後端伺服器上。它的主要目的是提高系統的可用性、可靠性和效能。

負載平衡的核心優勢：

• 高可用性：當某台伺服器故障時，流量會自動轉向健康的伺服器
• 流量均衡：避免單一伺服器過載
• 故障轉移：健康檢查機制自動偵測和排除故障伺服器
• 無縫擴展：可輕鬆新增或移除伺服器

GCP 網路負載平衡的架構

客戶端請求
    ↓
[轉發規則 (Forwarding Rule)] ← 監聽公開 IP 和埠口
    ↓
[目標池 (Target Pool)] ← 定義後端伺服器集合
    ↓
[後端伺服器] ← www1, www2, www3
    ↓
[健康檢查 (Health Check)] ← 持續監控伺服器狀態

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逐步指令說明與觀念

第一步：設定 GCP 專案和地區

# 列出所有專案
gcloud projects list

# 設定專案 ID
gcloud config set project qwiklabs-gcp-04-65fb5bab2bd6

# 設定計算區域（Region）
gcloud config set compute/region us-central1

# 設定計算區域內的特定可用區（Zone）
gcloud config set compute/zone us-central1-b

觀念解釋：

• 專案（Project）：GCP 中的獨立工作區，所有資源都屬於某個專案
• 地區（Region）：地理位置，如 us-central1（美國中部）
• 可用區（Zone）：地區內的特定資料中心，如 us-central1-b
• 為什麼重要：設定預設值後，後續命令無需重複指定這些參數

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第二步：建立後端伺服器實例

# 建立第一個伺服器實例 www1
gcloud compute instances create www1 \
    --zone=us-central1-b \
    --tags=network-lb-tag \
    --machine-type=e2-small \
    --image-family=debian-11 \
    --image-project=debian-cloud \
    --metadata=startup-script='#!/bin/bash
      apt-get update
      apt-get install apache2 -y
      service apache2 restart
      echo "<h3>Web Server: www1</h3>" | tee /var/www/html/index.html'

指令參數說明：

參數	說明
--zone	指定伺服器所在的可用區
--tags	標籤，用於識別和套用防火牆規則
--machine-type	機器類型，e2-small 是低成本的計算實例
--image-family	作業系統映像族系，debian-11 表示 Debian 11
--image-project	映像所屬的專案
--metadata=startup-script	啟動腳本，實例啟動時自動執行

啟動腳本的作用：

• apt-get update：更新套件清單
• apt-get install apache2 -y：安裝 Apache2 網頁伺服器
• service apache2 restart：重啟 Apache 服務
• 最後一行：在首頁顯示伺服器識別標記

重複此步驟建立 www2 和 www3，將伺服器標籤改為對應的名稱。

觀念理解：

• 創建多個相同配置的伺服器是負載平衡的基礎
• 啟動腳本自動化了伺服器初始化，確保所有伺服器配置一致
• 標籤用於區分和管理伺服器分組

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第三步：建立防火牆規則

gcloud compute firewall-rules create www-firewall-network-lb \
    --target-tags network-lb-tag \
    --allow tcp:80

參數說明：

參數	說明
--target-tags	套用規則的標籤，符合此標籤的實例會受該規則限制
--allow tcp:80	允許 TCP 埠口 80（HTTP）的進入流量

觀念理解：

• 防火牆規則是 GCP 的網路安全機制
• tcp:80 是 HTTP 協定的標準埠口
• 只有標籤為 network-lb-tag 的實例才能接收 80 埠的流量
• 這確保了安全性，只有授權的伺服器可以接收客戶端請求

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第四步：建立靜態外部 IP 位址

gcloud compute addresses create network-lb-ip-1 \
  --region us-central1

觀念理解：

• 靜態 IP：不會改變的公開 IP 位址，客戶端可以可靠地訪問此 IP
• 動態 IP：會隨著實例重啟而改變，不適合作為服務端點
• 為什麼需要：提供一個穩定的入口點給所有客戶端連接

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第五步：建立健康檢查

gcloud compute http-health-checks create basic-check

預設配置：

• 埠口：80
• 路徑：/
• 協定：HTTP

觀念理解 - 健康檢查的重要性：

健康檢查是負載平衡的核心機制，定期向後端伺服器發送請求檢查其狀態。

每 5 秒檢查一次
    ↓
[GET /] → www1 ✓ (200 OK) → 健康，繼續接收流量
        → www2 ✗ (超時)    → 不健康，流量轉向其他伺服器
        → www3 ✓ (200 OK) → 健康，繼續接收流量

健康檢查的工作流程：

1. 負載平衡器定期向每台伺服器發送 HTTP GET 請求
2. 如果伺服器回應 200 OK，標記為健康
3. 如果伺服器無回應或回應錯誤，標記為不健康
4. 不健康的伺服器會被暫時移出流量池
5. 當伺服器恢復健康時，自動重新加入

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第六步：建立目標池

gcloud compute target-pools create www-pool \
  --region us-central1 \
  --http-health-check basic-check

參數說明：

參數	說明
--region	目標池所在的地區
--http-health-check	關聯的健康檢查名稱

觀念理解：

• 目標池（Target Pool）：是一個邏輯概念，代表一組要進行負載平衡的後端伺服器
• 為什麼需要：它是轉發規則和實際伺服器之間的橋樑
• 目標池包含伺服器列表和健康檢查政策

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第七步：將實例添加到目標池

gcloud compute target-pools add-instances www-pool \
    --instances www1,www2,www3

觀念理解：

• 此命令將三個伺服器實例註冊到目標池
• 目標池現在知道應該將流量分配到這三台伺服器
• 後續可以使用類似命令添加或移除伺服器（用於動態擴展）

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第八步：建立轉發規則

gcloud compute forwarding-rules create www-rule \
    --region us-central1 \
    --ports 80 \
    --address network-lb-ip-1 \
    --target-pool www-pool

參數說明：

參數	說明
--region	轉發規則所在的地區
--ports	監聽的埠口（80 = HTTP）
--address	綁定的靜態公開 IP 位址
--target-pool	目標池名稱

觀念理解 - 這是負載平衡的「大腦」：

轉發規則的職責：

1. 監聽指定的公開 IP 和埠口（34.57.214.60:80）
2. 接收進來的客戶端請求
3. 根據負載平衡演算法決定轉發給哪台伺服器
4. 將請求轉發到目標池中的伺服器

流量流向：

客戶端 (203.0.113.1:54321) → 轉發規則 (34.57.214.60:80)
    ↓ 負載平衡決策（輪詢演算法）
[www1:80] 或 [www2:80] 或 [www3:80]

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第九步：查詢轉發規則詳情

gcloud compute forwarding-rules describe www-rule --region us-central1

輸出重點字段：

字段	說明
IPAddress	轉發規則綁定的公開 IP
IPProtocol	使用的協定（TCP）
portRange	監聽的埠口範圍
loadBalancingScheme	負載平衡方案（EXTERNAL = 公開）
target	指向的目標池

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第十步：提取 IP 地址並測試

# 使用 JSON 格式提取 IP 地址
IPADDRESS=$(gcloud compute forwarding-rules describe www-rule \
    --region us-central1 --format="json" | jq -r .IPAddress)

# 顯示 IP 地址
echo $IPADDRESS

# 持續測試負載平衡
while true; do curl -m1 $IPADDRESS; done

指令說明：

部分	說明
--format="json"	以 JSON 格式輸出結果，便於程式化解析
jq -r .IPAddress	使用 jq 工具提取 JSON 中的 IPAddress 字段
-m1	curl 的 1 秒超時設定
while true; do	無限迴圈，持續發送請求

測試結果解釋：

• 正常情況：應該看到來自 www1、www2、www3 的輪詢迴應
• 超時錯誤：可能表示防火牆規則未正確套用或伺服器未就緒

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負載平衡演算法

GCP 網路負載平衡器使用以下演算法：

1. 輪詢（Round Robin） - 預設演算法

請求 1 → www1
請求 2 → www2
請求 3 → www3
請求 4 → www1（循環開始）

優點：簡單、公平、適合無狀態應用

2. 會話親和性（Session Affinity） - 可選

同一客戶端的請求總是轉發到同一伺服器，保持會話狀態一致

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故障排除指南

問題	原因	解決方案
Connection timed out	防火牆規則未應用或標籤不匹配	檢查 --target-tags 是否正確
無法連接到 IP	伺服器未完全啟動	等待 1-2 分鐘讓啟動腳本完成
伺服器不在目標池中	實例標籤不匹配	使用 --tags 確保標籤一致
健康檢查失敗	Apache 未啟動或埠口錯誤	檢查 startup-script 是否正確執行

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最佳實踐

1. 使用標籤分組：便於管理和套用規則
2. 定期監控健康檢查：確保後端伺服器狀態正常
3. 使用靜態 IP：提供穩定的服務端點
4. 設定適當的超時：避免無限等待
5. 記錄和監控：使用 Cloud Logging 追蹤流量和錯誤
6. 測試故障轉移：模擬伺服器故障測試系統可靠性

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進階延伸概念

HTTP(S) 負載平衡 vs 網路負載平衡

• 網路負載平衡（LB）：第 4 層（傳輸層），更快速，支援 TCP/UDP
• HTTP(S) 負載平衡：第 7 層（應用層），支援 URL 路由、主機名稱路由

自動擴展（Auto Scaling）

結合負載平衡器與實例組，根據 CPU 使用率自動增加或減少伺服器數量

多地區負載平衡

跨多個地區部署負載平衡器，提供全球高可用性