LVS详解

Posted 2021-06-27 码出未来_远

文章目录

• • LVS的NAT模式：
  • LVS的DR模式：
  • LVS-DR：
  • LVS的FULLNAT模式：
  • LVS工作模式总结和比较
  • LVS在内核中十种调度算法

Lvs
LVS是Linux Virtual Server的简写，意即Linux虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统

LVS 是四层负载均衡，也就是说建立在 OSI 模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的 TCP/UDP，LVS 支持 TCP/UDP 的负载均衡。
LVS 的转发主要通过修改 IP 地址（NAT 模式，分为源地址修改 SNAT 和目标地址修改 DNAT）、修改目标 MAC（DR 模式）来实现。

那么为什么 LVS 是在第四层做负载均衡？
首先 LVS 不像 HAProxy 等七层软负载面向的是 HTTP 包，所以七层负载可以做的 URL 解析等工作，LVS 无法完成。其次，某次用户访问是与服务端建立连接后交换数据包实现的，如果在第三层网络层做负载均衡，那么将失去「连接」的语义。软负载面向的对象应该是 一个已经建立连接的用户，而不是一个孤零零的 IP 包。后面会看到，实际上 LVS 的机器代替真实的服务器与用户通过 TCP 三次握手建立了连接，所以 LVS 是需要关心连接级别的状态的。

LVS的工作原理
VS根据请求报文的目标IP和目标协议及端口将其调度转发至某RS，根据调度算法来挑选RS

LVS集群类型的专业术语
ipvsadm：用户空间的命令行工具，用于管理集群服务

ipvs：工作于内核中netfilter INPUT钩子上

支持TCP，UDP，AH，EST，AH_EST，SCTP等诸多协议

lvs arch：

​ 调度器：director，dispatcher，balancer

VS：Virtual Server 虚拟的服务器

RS：Real Server(lvs) 真正提供服务的服务器
CIP：Client IP 客户端的IP

VIP: Virtual serve IP LVS服务器针对互联网的客户端设置的IP，是虚拟IP

DIP: Director IP 局域网内LVS服务器设置的IP
RIP: Real server IP 真实服务器的IP

LVS的NAT模式：

lvs-nat：本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某挑出的RS的RIP和PORT实现转发

（1）RIP和DIP应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP

（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发，Director易于成为系统瓶颈

（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT

（4）VS必须是Linux系统，RS可以是任意OS系统

LVS的DR模式：

LVS-DR：

Direct Routing，直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过为请求报文重新封装一个MAC首部进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

DR模式的特点：

1.Director和各RS都配置有VIP

2.确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director

-在前端网关做静态绑定VIP和Director的MAC地址

-在RS上使用arptables工具
3.RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director

4.RS和Director要在同一个物理网络

5.请求报文要经由Director，但响应报文不经由Director，而由RS直接发往Client

6.不支持端口映射（端口不能修败）

7.RS可使用大多数OS系统
LVS的TUN模式：

转发方式：不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP）
TUN模式特点：

DIP, VIP, RIP可以是公网地址
RS的网关一般不能指向DIP
请求报文要经由Director，但响应不经由Director
不支持端口映射
RS的OS须支持隧道功能

LVS的FULLNAT模式：

通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发

CIP –> DIP

VIP –> RIP

fullnat模式特点：

1.VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP
2.RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client
3.请求和响应报文都经由Director
4.相对NATi模式，可以更好的实现LVS-RealServer间跨VLAN通讯
5.支持端口映射

注意：此类型kernel默认不支持

LVS工作模式总结和比较

VS/NAT VS/TUN VS/DR
Server any Tunneling Non-arp device
server network private LAN/WAN LAN
server number low (10~20) High (100) High (100)
server gateway load balancer own router Own router
lvs-nat与lvs-fullnat：

请求和响应报文都经由Director
lvs-nat：RIP的网关要指向DIP
lvs-fullnat：RIP和DIP未必在同一IP网络，但要能通信
lvs-dr与lvs-tun：

请求报文要经由Director，但响应报文由RS直接发往Client
lvs-dr：通过封装新的MAC首部实现，通过MAC网络转发
lvs-tun：通过在原IP报文外封装新IP头实现转发，支持远距离通信

LVS在内核中十种调度算法

1.轮询调度

轮询调度(Round Robin 简称’RR’)算法就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是实现简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器。

2.加权轮询调度

加权轮询(Weight Round Robin 简称’WRR’)算法主要是对轮询算法的一种优化与补充，LVS会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加一个权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度器调度到服务器B的请求会是服务器A的两倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。

3.最小连接调度

最小连接调度(Least Connections 简称’LC’)算法是把新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。最小连接调度是一种动态的调度算法，它通过服务器当前活跃的连接数来估计服务器的情况。调度器需要记录各个服务器已建立连接的数目，当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加1;当连接中断或者超时，其连接数减1。

(集群系统的真实服务器具有相近的系统性能，采用最小连接调度算法可以比较好地均衡负载。)

4.加权最小连接调度

加权最少连接(Weight Least Connections 简称’WLC’)算法是最小连接调度的超集，各个服务器相应的权值表示其处理性能。服务器的缺省权值为1，系统管理员可以动态地设置服务器的权值。加权最小连接调度在调度新连接时尽可能使服务器的已建立连接数和其权值成比例。调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态地调整其权值。

5.基于局部的最少连接

基于局部的最少连接调度(Locality-Based Least Connections 简称’LBLC’)算法是针对请求报文的目标IP地址的 负载均衡调度，目前主要用于Cache集群系统，因为在Cache集群客户请求报文的目标IP地址是变化的。这里假设任何后端服务器都可以处理任一请求，算法的设计目标是在服务器的负载基本平衡情况下，将相同目标IP地址的请求调度到同一台服务器，来提高各台服务器的访问局部性和Cache命中率，从而提升整个集群系统的处理能力。LBLC调度算法先根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址最近使用的服务器，若该服务器是可用的且没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器不存在，或者该服务器超载且有服务器处于一半的工作负载，则使用’最少连接’的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到服务器。

6.带复制的基于局部性的最少连接

带复制的基于局部性的最少连接(Locality-Based Least Connections with Replication 简称’LBLCR’)算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统，它与LBLC算法不同之处是它要维护从一个目标IP地址到一组服务器的映射，而LBLC算法维护从一个目标IP地址到一台服务器的映射。按’最小连接’原则从该服务器组中选出一一台服务器，若服务器没有超载，将请求发送到该服务器;若服务器超载，则按’最小连接’原则从整个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到这个服务器组中，将请求发送到该服务器。同时，当该服务器组有一段时间没有被修改，将最忙的服务器从服务器组中删除，以降低复制的程度。

7.目标地址散列调度

目标地址散列调度(Destination Hashing 简称’DH’)算法先根据请求的目标IP地址，作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且并未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。

8.源地址散列调度U

源地址散列调度(Source Hashing 简称’SH’)算法先根据请求的源IP地址，作为散列键(Hash Key)从静态分配的散列表找出对应的服务器，若该服务器是可用的且并未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。它采用的散列函数与目标地址散列调度算法的相同，它的算法流程与目标地址散列调度算法的基本相似。

9.最短的期望的延迟

最短的期望的延迟调度(Shortest Expected Delay 简称’SED’)算法基于WLC算法。举个例子吧，ABC三台服务器的权重分别为1、2、3 。那么如果使用WLC算法的话一个新请求进入时它可能会分给ABC中的任意一个。使用SED算法后会进行一个运算

A：(1+1)/1=2 B：(1+2)/2=3/2 C：(1+3)/3=4/3 就把请求交给得出运算结果最小的服务器。

10.最少队列调度

最少队列调度(Never Queue 简称’NQ’)算法，无需队列。如果有realserver的连接数等于0就直接分配过去，不需要在进行SED运算。