Linux---负载均衡---lvs

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了Linux---负载均衡---lvs，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含9350字，纯文字阅读大概需要14分钟。

内容图文

一、lvs简介

    LVS是 Linux Virtual Server 的简称，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统。这是一个由章文嵩博士发起的，是中国国内最早出现的自由软件开源项目之一，现在 LVS 已经是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 可以达到的技术目标是：通过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操作系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。

    在已有的IP负载均衡技术中，主要有通过网络地址转换(Network Address Translation)将一组服务器构成一个高性能的、高可用的虚拟服务器，我们称之为VS/NAT技术(Virtual Server via Network Address Translation)。在分析VS/NAT的缺点和网络服务的非对称性的基础上，我们提出了通过IP隧道实现虚拟服务器的方法VS/TUN (Virtual Server via IP Tunneling)，和通过直接路由实现虚拟服务器的方法VS/DR(Virtual Server via Direct Routing)，它们可以极大地提高系统的伸缩性。VS/NAT、VS/TUN和VS/DR技术是LVS集群中实现的三种IP负载均衡技术。

二、lvs组成

1. 安装包

[root@mumu 7-1 ~]# yum -y install ipvsadm

2. 组成

    LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

2.1 ipvs(ip virtual server)

    工作在内核空间，是真正生效实现调度的代码。
2.2 ipvsadm

    工作在用户空间，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)。

三、lvs工具的简单使用

1、管理集群服务

    添加一条新的虚拟服务

ipvsadm -A -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]] [-M netmask] [--pe persistence_engine] [-b sched-flags] 
    -A：添加一条新的虚拟服务     
    -t：TCP协议的端口，VIP：TCP_POPT
    -u：UDP协议的端口，UIP：UCP_POP
    -f：FWM: 防火墙标记；firewall MARK，是一个数字
    -p：配置持久化时间
    -M：定义Mac地址
    --pe：定义持久化引擎
    -b：定义进程调度标记
    service-address：某集群服务的IP地址
    -s：指定集群的调度算法，如:rr, wrr, lc等，默认为wlc

    删除一条虚拟服务

ipvsadm  -D -t|u|f service-address
    -D：删除一条虚拟服务

    修改一条虚拟服务

ipvsadm  -E -t|u|f service-address
    -E：修改一条虚拟服务

2、管理集群服务中的RS

    在一个虚拟服务中添加一个新的真实服务器

ipvsadm -a -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]            
    -t|u|f service-address：事先定义好的某类型集群服务            
    -r server-address: 定义某RS的地址，在NAT模型中，可使用IP：PORT实现端口映射；
     [-g|i|m]: LVS类型    
        -g: gateway, dr类型                
        -i: ipip, tun类型                
        -m: masquerade, nat类型
    [-w weight]: 定义服务器权重

    删除某个真实服务器

ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
    -d：删除某个真实服务器，即RS

    修改某个真实服务器

ipvsadm -e -t|u|f service-address -r server-address
    -e：修改某个真实服务器，即RS

    查看某个真实服务器

ipvsadm -L|l  -t|u|f service-address -r server-address
    -L|l ：查看某个真实服务器，即RS

    -n: 数字格式显示主机地址和端口            
    --stats：统计数据           
    --rate: 速率            
    --timeout: 显示tcp、tcpfin和udp的会话超时时长            
    -c: 显示当前的ipvs连接状况

3、管理ipvs规则

ipvsadm -S|R > 文件路径
    -C：清除所有的集群服务规则   
    -S = ipvsadm-save：保存之前所定义的集群服务规则
    -R = ipvsadm-restore：重载此前所定义的集群服务规则      
    文件路径：指定的保存或重载的文件路径

ipvsadm 
    -C：清除所有的集群服务规则

ipvsadm -Z -t|u|f service-address
    -Z：将当前定义的所有集群服务清零

4、查看统计

查看当前配置的虚拟服务和各个RS的权重

  ipvsadm -Ln

查看当前ipvs模块中记录的连接（可用于观察转发情况）

  ipvsadm -lnc

查看ipvs模块的转发情况统计

  ipvsadm -Ln --stats | --rate

四、lvs的三种工作模式

1、NAT 模式-网络地址转换

1. 模式流程图

2、NAT模式原理

（1）当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链，此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 

（2）PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

（3）IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP 

（4）POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server

（5）Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP 

（6）Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

1. 模式流程图

2、DR模式原理

（1）当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP

（2）PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

（3）IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址 

（4）由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server

（5）RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP 

（6）响应报文最终送达至客户端

3、Tun模式

1. 模式流程图

2、TUN模式原理

（1）当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP

（2）PREROUTING检查发现数据包的目标IP是否是本机，若是，将数据包送至INPUT链

（3）IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP

（4）POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP

（5）RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP

（6）响应报文最终送达至客户端

五、lvs的调度算法

1、算法分类

    Lvs的调度算法决定了如何在集群节点之间分布工作负荷。当director调度器收到来自客户端访问VIP的上的集群服务的入站请求时，director调度器必须决定哪个集群节点应该处理请求。Director调度器用的调度方法基本分为两类：

固定调度算法：rr，wrr，dh，sh

动态调度算法：wlc，lc，lblc，lblcr，sed，nq

2、算法介绍

1. 轮叫调度算法 rr（Round Robin）
    就是将请求按顺序调度到不同的 RS 上，即是将请求在 RS 中均摊分配，该算法是这些调度算法中最简单的。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去，但只适合于 RS 处理性能差不多的情况。

2. 加权轮询调度算法 wrr（weight Round Robin，加权轮询，以权重之间的比例实现在各主机之间进行调度）

    wrr算法是对rr算法的一种优化和补充，因此，wrr算法比rr算法多了一个权重的概念。lvs根据每台服务器的性能，判断给每台服务器要添加的权值，依据这个权值给不同服务器分配任务。如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，将优先获得任务，但处理的请求也越多，并且分配到的连接数将比权值低的服务器更多，权重的取值范围 0 – 100，相同权值的 RS 得到相同数目的连接数。

3. 最小连接数调度算法 lc（Least-Connection）

    这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1 

4. 加权最小连接数调度算法 wlc（Weighted Least-Connection Scheduling）

    wlc是lc的升级版，多了对权重的计算这一步。lvs获得权值后，LB会比较将连接请求发送到当前连接最少的RS。

5. 基于地址的最少连接调度算法 lblc（Locality-Based Least Connection）

    这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，这个算法会先根据请求的目标IP地址，寻找该IP地址最近所使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则就将这个请求分配给连接数最小的服务器，并以它作为下一次分配的首先考虑。

6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr（Locality-Based Least Connections withReplication）
    记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。

7. 目标地址哈希调度算法 dh（Destination hashing：目标地址散列。把同一个IP地址的请求，发送给同一个server。）
    该算法是根据目标 IP 地址为关键字通过散列函数查找一个静态hash表，将目标 IP 与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。

8. 源地址哈希调度算法 sh（source hashing,源地址散列。主要实现会话绑定，能够将此前建立的session信息保留了）
    与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址为关键字通过散列函数查找一个静态hash表，发往该目标 IP 的请求会静态分配给固定的服务器。

9. 最短延迟调度算法 sed（Shortest Expected Delay）

    是wlc的进一步改进，为了解决当权限过大时，会导致空闲服务器一直处于无连接状态的问题，计算方式：Overhead=（Active+1）*256/加权，不再考虑非活动状态，把当前处于活动状态的数目加一来实现，数目最小的接受下次请求，而+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动链接过多。

10. 永不排队/最少对了调度算法 nq（Never Queue Scheduling）

    是sed的进一步升级，如果有台RS的连接数等于零就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有任何一个主机空闲。如果RS的连接数不等于零，在sed基础上，无论计算结果如何，第二次客户请求一定会给下一个RS，保证不会有一个RS空闲。

3、算法的生产环境选型

（1）一般的网络服务，如http，mail，mysql等常用的LVS调度算法为：

    a. 基本轮询调度rr

    b. 加权最小连接调度wlc

    c. 加权轮询调度wrc

（2）基于局部性的最小连接lblc和带复制的给予局部性最小连接lblcr主要适用于web cache和DB cache。

（3）源地址散列调度SH和目标地址散列调度DH可以结合使用在防火墙集群中，可以保证整个系统的出入口唯一。实际适用中这些算法的适用范围很多，工作中最好参考内核中的连接调度算法的实现原理，然后根据具体的业务需求合理的选型。

内容总结

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