簡介

在本文實作練習中，將會透過 Set Up Network and HTTP Load Balancers | Google Cloud Skills Boost 主題，學習如何在 GCP 雲端環境中，了解「網路負載平衡器」(Network Load Balancer) 也就是 Layer 4 (TCP) 層級的負載平衡器，以及「HTTP 負載平衡器」(HTTP Load Balancer) 也就是 Layer 7 (HTTP) 層級的負載平衡器，這兩者之間有什麼差異，以及如何為 Compute Engine 虛擬主機 (VM) 中執行的應用程式，組態設定使用 L4 (TCP) 或 L7 (HTTP) 負載平衡器。

啟用 Cloud Shell (gcloud)

本次實作時間給予 1.5 小時也是非常充裕。同樣的，啟動實作環境後，系統提供暫用的使用者帳號、密碼、Project ID…等資訊。

在 Cloud Console 畫面中，點選右上角圖示後，準備啟用 Cloud Shell (gcloud)，稍後也會使用到。簡單來說，Cloud Shell 是個已經載入了開發工具的極小型 VM 虛擬主機，並且提供 5 GB 儲存空間，以便管理人員可以透過 Cloud Shell 對 Google Cloud 資源進行存取等管理動作。

順利啟用 Cloud Shell 之後，可以嘗試執行「gcloud auth list」、「gcloud config list project」指令，了解目前運作環境的相關系統資訊。詳細資訊請參考 gcloud CLI overview | Google Cloud CLI Documentation 官方文件。

設定採用的 Region 和 Zone

在開始實作之前，應該先了解有哪一些 Google Compute Engine 資源，可供使用。簡單來說，「區域」(Region) 是執行資源的特定地理位置，每個區域當中則會有一或多個「可用區」(Zone)。舉例來說，「asia-east1」表示東亞區域，在這個區域中有「asia-east1-a、asia-east1-b、asia-east1-c」可用區。有關 Region 和 Zone 的詳細資訊，請參考 Regions and zones | Compute Engine Documentation | Google Cloud 官方文件。下表列出各個可用區和所屬區域：

透過下列指令，可以組態設定 Region 為「us-west4」，並將 Zone 設定為「us-west4-c」，組態設定完成後，記得透過指令確認組態設定是否套用生效。

部署 3 台 VM 虛擬主機並擔任網頁伺服器

在實作負載平衡機制之前，先部署 3 台 Compute Engine VM 虛擬主機，並安裝 Apache 網頁伺服器服務。在下列指令中，可以看到部署的 VM 虛擬主機名稱為 www1、www2、www3。

gcloud compute instances create www1 \
            --zone= \
            --tags=network-lb-tag \
            --machine-type=e2-medium \
            --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'        
gcloud compute instances create www2 \
            --zone= \
            --tags=network-lb-tag \
            --machine-type=e2-medium \
            --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: www2</h3>" | tee /var/www/html/index.html'        
gcloud compute instances create www3 \
            --zone= \
            --tags=network-lb-tag \
            --machine-type=e2-medium \
            --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: www3</h3>" | tee /var/www/html/index.html'

接著，透過指令「gcloud compute firewall-rules create www-firewall-network-lb --target-tags network-lb-tag --allow tcp:80」新增 HTTP 流量，並允許傳送至這 3 台網頁伺服器的防火牆規則。然後執行「gcloud compute instances list」指令，列出 3 台網頁伺服器使用的 EXTERNAL_IP。

確認每台網頁伺服器的 Public IP 位址之後，使用 curl 指令確認網頁伺服器服務正常運作。

組態設定 Layer 4 (TCP) 負載平衡機制

在組態設定 L4 負載平衡服務時，VM 虛擬機器會收到預定傳送至您所設定的靜態外部 IP 位址的封包，並透過 Compute Engine 映像檔建立的執行個體會自動設定為處理這個 IP 位址。詳細資訊請參考 External passthrough Network Load Balancer overview | Load Balancing | Google Cloud 官方文件。

依序執行下列指令，建立 Layer 4 (TCP) 負載平衡機制：

為 L4 負載平衡器建立靜態外部 IP 位址

gcloud compute addresses create network-lb-ip-1 --region us-west4

建立目標集區 www-pool 並啟用健康狀態檢查功能

gcloud compute target-pools create www-pool --region us-west4 --http-health-check basic-check

將 3 台網頁伺服器加入集區 www-pool 當中

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

新增 HTTP 封包轉送規則

gcloud compute forwarding-rules create www-rule --region us-west4 --ports 80 --address network-lb-ip-1 --target-pool www-pool

測試封包轉送規則是否正確運作

現在，L4 負載平衡服務已經設定完成。先執行「gcloud compute forwarding-rules describe www-rule --region us-west4」指令，確認 L4 負載平衡服務的 Public IP 位址，本文實作為「34.125.40.173」。

接著，定義名稱為 IPADDRESS 的變數，內容為「IPADDRESS=$(gcloud compute forwarding-rules describe www-rule --region us-west4 --format="json" | jq -r .IPAddress)」，定義完成後先執行「echo $IPADDRESS」，確認是否顯示為 L4 負載平衡服務的 Public IP 位址，然後使用 curl 指令「while true; do curl -m1 $IPADDRESS; done」存取 L4 負載平衡服務的 Public IP 位址。

此時，便可以看到隨機傳回 3 台網頁伺服器的 IP 位址，表示 L4 負載平衡服務封包轉送規則正確運作，按下 Ctrl + C 組合鍵即可停止測試。值得注意的是，若一開始發生回應失敗情況的話，請等待 30 秒之後再次測試。

事實上，也可以從 Google Console 管理介面，查看 L4 負載平衡服務的組態設定內容。

組態設定 Layer 7 (HTTP) 負載平衡機制

在 Google Cloud 運作架構中，Layer 7 (HTTP) 負載平衡機制，是由 GFE (Google Front End) 所負責。GFE 遍布全球各地，透過 Google 的全球網路和控制層互相搭配運作，所以管理人員可以設定網址規則，將部分網址轉送至某一組 VM 虛擬主機，並將其他網址轉送至其他 VM 虛擬主機。

GFE 一律會將網頁請求轉送至距離使用者最近的 VM 虛擬主機群組，但前提是該群組已經具備足夠的處理能力且適合該要求。倘若距離最近的群組處理能力不足，系統會將要求傳送至距離較近且具備充足處理能力的群組進行回應。因此，當管理人員需要組態設定 L7 負載平衡服務時，VM 虛擬主裝必須先屬於某個執行個體群組，然後群組內的 VM 虛擬主機必須運作網頁伺服器擔任後端伺服器才行。

首先，執行下列指令建立 Layer 7 (HTTP) 負載平衡機制範本，透過 MIGs (Managed Instance Groups) 機制，管理人員可以自動調度資源、自動修復、區域 (多可用區) 部署以及自動更新等自動化 MIG 服務，讓工作負載具有可擴充性和高可用性。有關 MIGs 的詳細資訊請參考 Instance groups | Compute Engine Documentation | Google Cloud 官方文件。

gcloud compute instance-templates create lb-backend-template \
   --region=us-west4 \
   --network=default \
   --subnet=default \
   --tags=allow-health-check \
   --machine-type=e2-medium \
   --image-family=debian-11 \
   --image-project=debian-cloud \
   --metadata=startup-script='#!/bin/bash
     apt-get update
     apt-get install apache2 -y
     a2ensite default-ssl
     a2enmod ssl
     vm_hostname="$(curl -H "Metadata-Flavor:Google" \
     http://169.254.169.254/computeMetadata/v1/instance/name)"
     echo "Page served from: $vm_hostname" | \
     tee /var/www/html/index.html
     systemctl restart apache2'

依據上述建立的範本，建立名稱為「lb-backend-group」的 MIGs，並建立名稱為「fw-allow-health-check」的防火牆規則。其中，在 Ingress 的部份允許來自 Google Cloud 健康狀態檢查系統的流量 (130.211.0.0/22 和 35.191.0.0/16)

gcloud compute instance-groups managed create lb-backend-group \
      --template=lb-backend-template --size=2 --zone=us-west4
gcloud compute firewall-rules create fw-allow-health-check \
  --network=default \
  --action=allow \
  --direction=ingress \
  --source-ranges=130.211.0.0/22,35.191.0.0/16 \
  --target-tags=allow-health-check \
  --rules=tcp:80

現在，請依序執行下列指令，建立 Layer 7 (HTTP) 負載平衡機制：

組態設定全域靜態外部 IP 位址

gcloud compute addresses create lb-ipv4-1 --ip-version=IPV4 --global
gcloud compute addresses describe lb-ipv4-1 --format="get(address)" --global