LVS的四种模式和十种调度算法简介

Posted 2021-03-25

LVS的四种模型和十种调度算法

LVS简介

LVS：Linux Virtual Server，负载调度器，内核集成，章文嵩（花名 正明）

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

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服务器，客户端访问流程图

LVS-NAT模式

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-NAT的实现逻辑

如上图所示，客户端通过路由去访问LVS对外开放的VIP，当LVS收到请求报文时，会将其拦截下来，通过自身的DIP将请求报文传给其中的一台RS服务器（DIP和RIP需要在同一个局域网，同一个网段）。RS服务器收到请求报文后，发送响应报文通过LVS服务器发送给客户端（相当于怎么来的就怎么回去）。在用户访问的过程中，LVS服务器实际上是对VIP进行了地址转换，转换成了正式服务器的IP，从而实现互相通讯。

NAT模式IP包调度过程

NAT模式内部的工作原理图

LVS服务器之所以能实现将发送给自己的数据包转交给其他主机，是因为LVS是潜伏在钩子函数INPUT这里，一旦发现有用户访问的数据包通过PREROUTING后发送给INPUT，LVS会将其截获下来，改变目标地址为真实服务器的地址，转而发给POSTROUTING，从而发送给真实服务器，实现调度转发的功能。

LVS-NAT模式的优缺点

1、NAT技术将请求的报文和响应的报文都需要通过LVS进行地址改写，因此网站访问量比较大的时候LVS负载均衡调度器有比较大的瓶颈，一般要求最多之能10-20台节点

2、只需要在LVS上配置一个公网IP地址就可以了。（也可以通过iptables规则实现NAT，这样私网地址也可以的）

3、每台内部的节点服务器的网关地址必须是调度器LB的内网地址。（如果LVS的DIP和RIP在同一个局域网并且在同一个网段，不需要指定网关）

4、NAT模式支持对IP地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致

LVS-DR模式（直接路由）

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模型，请求报文，和响应报文走的不是同一个路径，请求报文经过LVS发送给RS，响应报文在回应的时候，不需要原路返回，它可以直接返回给客户端。

这种模型带来的最大的好处就是LVS服务i去的压力变小了。因为只有请求报文需要通过VS服务器发送给RS服务器，而RS服务器的响应报文是直接发送给客户端的，不需要经过LVS服务器。而且一般请求报文相对响应报文来说要小的多。这样就使得LVS的服务器的压力小了很多。

LVS-DR模式图解

因为RS服务器需要直接将请求报文发送给客户端，而客户端访问的IP是VIP，只有来自VIP的包客户端才会接收，所以我们需要在RS服务器上也配置VIP。但是这样的话LVS和RS都有了一样的IP，这样就会带来地址冲突的问题。我们需要解决地址冲突的问题。

我们需要在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

DR模型特点：LVS的压力小，通过改变MAC地址来实现调度转发，不能映射端口号。

LVS-DR模式数据包流转的过程

LVS-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）

(1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址

(2) RS的网关一般不能指向DIP

(3) 请求报文要经由Director，但响应不经由Director

(4) 不支持端口映射

(5) RS的OS须支持隧道功能

LVS-TUN体系结构

LVS-TUN的IP包调度过程

LVS-FULLNAT模式

lvs-fullnat：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

(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) 支持端口映射

LVS工作模式总结

LVS的十种调度模式

LVS的调度又分为静态方法和动态方法。

静态方法

静态方法：仅根据算法本身进行调度

1、RR：roundrobin，轮询，即按顺序分配请求，即使某个机器性能不好，或者宕机，也会将请求分配给这台主机

2、WRR：Weighted RR，加权轮询，跟RR的区别再于它可以通过对每个RS服务器去设置权重，来实现依照服务器性能的优略分配任务，性能好的分配任务多点，性能差的分配任务少点。也会存在RR一样的缺点

3、SH：Source Hashing，实现session sticky，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定。

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡，如：宽带运营商。

动态方法

动态方法：主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度Overhead=value较小的RS将被调度

1、LC：least connections 适用于长连接应用
Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2、WLC：Weighted LC，默认调度方法

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay,初始连接高权重优先
Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡

问题，从负载重的复制到负载轻的RS

Overhead 表示优先级、

activeconns 正处于连接的数量

inactiveconns 非活动连接的数量

weight 权重

LVS的优缺点

优点：

Lvs属于内核级的功能，它的并发量是相当大的，能达到几百万的并发

缺点：
没有所谓的高可用功能，不能检查后端服务器的健康性，（后端服务器宕机了，lvs是没有办法去管理的）