一、負(fù)載均衡LVS基本介紹

1. LVS是 Linux Virtual Server 的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器。這是一個(gè)由章文嵩博士發(fā)起的一個(gè)開源項(xiàng)目，它的官方網(wǎng)站是 http://www.linuxvirtualserver.org。

2. LVS是Linux內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)的一部分。LVS是一個(gè)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡集群的開源軟件項(xiàng)目，通過 LVS 的負(fù)載均衡技術(shù)和 Linux操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能高可用的 Linux 服務(wù)器集群，它具有良好的可靠性、可擴(kuò)展性和可操作性。
3. LVS架構(gòu)從邏輯上可分為調(diào)度層、Server集群層和共享存儲(chǔ)。LVS實(shí)際上相當(dāng)于基于IP地址的虛擬化應(yīng)用。

二、LVS的組成

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

1. ipvs(ip virtual server)：工作在內(nèi)核空間，是真正生效實(shí)現(xiàn)調(diào)度的代碼。
2. ipvsadm：工作在用戶空間，負(fù)責(zé)為ipvs內(nèi)核框架編寫規(guī)則，定義誰是集群服務(wù)，而誰是后端真實(shí)的服務(wù)器(Real Server)

三、LVS相關(guān)術(shù)語

1. DS：Director Server, 指的是前端負(fù)載均衡器節(jié)點(diǎn)。
2. RS：Real Server, 后端真實(shí)的工作服務(wù)器。
3. VIP：向外部直接面向用戶請(qǐng)求，作為用戶請(qǐng)求的目標(biāo)的IP地址。
4. DIP：Director Server IP, 前端負(fù)載均衡器IP地址，主要用于和內(nèi)部主機(jī)通信。
5. RIP：Real Server IP, 后端服務(wù)器的IP地址。
6. CIP：Client IP, 訪問客戶端的IP地址

四、LVS的工作模式介紹

LVS負(fù)載均衡常見的有三種工作模式，分別是地址轉(zhuǎn)換（簡稱NAT模式）、IP隧道（簡稱TUN模式）和直接路由（簡稱DR模式），其實(shí)企業(yè)中最常用的是 DR 實(shí)現(xiàn)方式，而 NAT 配置上比較簡單和方便，下面總結(jié) DR 和 NAT 原理和特點(diǎn)：

1. LVS-NAT模式

(1) LVS-NAT原理

類似于防火墻的私有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Director Server作為所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)，，即作為客戶端的訪問入口，也是各節(jié)點(diǎn)回應(yīng)客戶端的訪問出口，其外網(wǎng)地址作為整個(gè)群集的VIP地址，其內(nèi)網(wǎng)地址與后端服務(wù)器Real Server在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，Real Server必須使用私有IP地址。

數(shù)據(jù)包流向分析

• 用戶發(fā)送請(qǐng)求到Director Server,請(qǐng)求的數(shù)據(jù)報(bào)文（源IP是CIP,目標(biāo)IP是VIP）到達(dá)內(nèi)核空間。

• 內(nèi)核空間判斷數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP是本機(jī)，此時(shí)IPVS比對(duì)數(shù)據(jù)包請(qǐng)求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，修改數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP地址為后端服務(wù)器IP，重新封裝數(shù)據(jù)包（源IP為CIP，目標(biāo)IP為RIP），然后選路將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Real Server。

• Real Server比對(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)IP是本機(jī)的IP，重新封裝報(bào)文（源IP為RIP，目標(biāo)IP為CIP）發(fā)回給Director Server。

• Director Server重新封裝數(shù)據(jù)包，將源IP地址修改為自己的VIP地址，然后響應(yīng)給客戶端。 此時(shí)報(bào)文的源IP為VIP，目標(biāo)IP為CIP。

(2) LVS-NAT模型的特點(diǎn)

• RS必須使用私有IP地址，網(wǎng)關(guān)指向DIP。

• DIP與RIP必須在同一網(wǎng)段內(nèi)。

• DS作為所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)，也就是說請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文都需要經(jīng)過Director Server。

• 支持端口映射

• 高負(fù)載場景中，Director Server壓力比較大，易成為性能瓶頸。

2. LVS-DR模式

(1) LVS-DR原理

Director Server作為群集的訪問入口，但不作為網(wǎng)關(guān)使用，后端服務(wù)器池中的Real Server與Director Server在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送給客戶機(jī)的數(shù)據(jù)包不需要經(jīng)過Director Server。為了響應(yīng)對(duì)整個(gè)群集的訪問，DS與RS都需要配置有VIP地址。

數(shù)據(jù)包流向分析

• 用戶發(fā)送請(qǐng)求到Director Server,請(qǐng)求的數(shù)據(jù)報(bào)文（源IP是CIP,目標(biāo)IP是VIP）到達(dá)內(nèi)核空間。

• 由于DS和RS在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，所以是通過二層數(shù)據(jù)鏈路層來傳輸。
• 內(nèi)核空間判斷數(shù)據(jù)包的目標(biāo)IP是本機(jī)IP，此時(shí)IPVS比對(duì)數(shù)據(jù)包請(qǐng)求的服務(wù)是否為集群服務(wù)，若是，重新封裝數(shù)據(jù)包，修改源MAC地址為DIP的MAC地址，目標(biāo)MAC地址為RIP的MAC地址，源IP地址與目標(biāo)IP地址沒有改變，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Real Server.
• RS發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求報(bào)文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此報(bào)文，重新封裝報(bào)文(源IP地址為VIP，目標(biāo)IP為CIP),將響應(yīng)報(bào)文通過lo接口傳送給eth0網(wǎng)卡然后向外發(fā)出。
• RS直接將響應(yīng)報(bào)文傳送到客戶端。

(2) LVS-DR模型的特點(diǎn)

• RS和DS必須在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中。
• RS可以使用私有地址，也可以使用公網(wǎng)地址，如果使用公網(wǎng)地址，可以通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)RIP進(jìn)行直接訪問。
• 所有的請(qǐng)求報(bào)文經(jīng)由Director。 Server，但響應(yīng)報(bào)文必須不能經(jīng)過Director Server。
• RS的網(wǎng)關(guān)絕不允許指向DIP(不允許數(shù)據(jù)包經(jīng)過director)。
• RS上的lo接口配置VIP的IP地址。

LVS-DR模式需要注意的是：
保證前端路由將目標(biāo)地址為VIP報(bào)文統(tǒng)統(tǒng)發(fā)給Director Server，而不是RS。

解決方案是：修改RS上內(nèi)核參數(shù)（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，并限制其不能響應(yīng)對(duì)VIP地址解析請(qǐng)求。

• arp_ignore=1表示系統(tǒng)只響應(yīng)目的IP為本地IP的ARP請(qǐng)求。

• arp_announce=2表示系統(tǒng)不使用IP包的源地址來設(shè)置ARP請(qǐng)求的源地址，而選擇發(fā)送接口的IP地址。

五、LVS的負(fù)載調(diào)度算法

最常用的有四種；輪詢（rr）、加權(quán)輪詢(wrr)、最少連接(lc)和加權(quán)最少連接(wlc)。

• 輪詢（rr）：將收到的訪問請(qǐng)求按照順序輪流調(diào)度到不同的服務(wù)器上，不管后端真實(shí)服務(wù)器的實(shí)際連接數(shù)和系統(tǒng)負(fù)載。
• 加權(quán)輪詢（wrr）：給RS設(shè)置權(quán)重，權(quán)重越高，那么分發(fā)的請(qǐng)求數(shù)越多，權(quán)重的取值范圍0–100。根據(jù)每臺(tái)服務(wù)器的性能，給每臺(tái)服務(wù)器添加權(quán)值，如果RS1的權(quán)值為1，RS2的權(quán)值為2，那么調(diào)度到RS2的請(qǐng)求會(huì)是RS1的2倍。權(quán)值越高的服務(wù)器，處理的請(qǐng)求越多。這種算法是對(duì)rr算法的一種優(yōu)化和補(bǔ)充。
• 最少連接（lc）：根據(jù)后端RS的連接數(shù)來決定把請(qǐng)求分發(fā)給誰，比RS1連接數(shù)比RS2連接數(shù)少，那么請(qǐng)求就優(yōu)先發(fā)給RS1。
• 加權(quán)最少連接（wlc）:根據(jù)后端RS的權(quán)重和連接數(shù)來決定把請(qǐng)求分發(fā)給誰，權(quán)重較高，連接數(shù)少的RS會(huì)優(yōu)先處理請(qǐng)求。

六、LVS的共享存儲(chǔ)服務(wù)器

為后端真實(shí)服務(wù)器提供穩(wěn)定、一致的文件存取服務(wù)，在Linux/Unix環(huán)境中，共享存儲(chǔ)可以使用NAS設(shè)備或者提供NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）共享服務(wù)的專用服務(wù)器。一般放在私有網(wǎng)絡(luò)中。

LVS的NAT模式案例部署詳細(xì)請(qǐng)看LVS負(fù)載均衡之LVS-NAT搭建Web群集

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