集群负载技术之LVS原理详解分析

Posted 2020-07-31

LVS简介
　　Internet的快速增长使多媒体网络服务器面对的访问数量快速增加，服务器需要具备提供大量并发访问服务的能力，因此对于大负载的服务器来讲， CPU、I/O处理能力很快会成为瓶颈。由于单台服务器的性能总是有限的，简单的提高硬件性能并不能真正解决这个问题。为此，必须采用多服务器和负载均衡技术才能满足大量并发访问的需要。Linux 虚拟服务器(Linux Virtual Servers,LVS) 使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展，而价格低廉的解决方案

LVS结构与工作原理
一.LVS的结构
　　LVS由前端的负载均衡器(Load Balancer，LB)和后端的真实服务器(Real Server，RS)群组成。RS间可通过局域网或广域网连接。LVS的这种结构对用户是透明的，用户只能看见一台作为LB的虚拟服务器(Virtual Server)，而看不到提供服务的RS群。当用户的请求发往虚拟服务器，LB根据设定的包转发策略和负载均衡调度算法将用户请求转发给RS。RS再将用户请求结果返回给用户。

二.LVS内核模型

1.当客户端的请求到达负载均衡器的内核空间时，首先会到达PREROUTING链。

2.当内核发现请求数据包的目的地址是本机时，将数据包送往INPUT链。

3.LVS由用户空间的ipvsadm和内核空间的IPVS组成，ipvsadm用来定义规则，IPVS利用ipvsadm定义的规则工作，IPVS工作在INPUT链上,当数据包到达INPUT链时，
首先会被IPVS检查，如果数据包里面的目的地址及端口没有在规则里面，那么这条数据包将被放行至用户空间。

4.如果数据包里面的目的地址及端口在规则里面，那么这条数据报文将被修改目的地址为事先定义好的后端服务器，并送往POSTROUTING链。

5.最后经由POSTROUTING链发往后端服务器。

三.LVS的包转发模型
1.NAT模型：

1.客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP(客户端IP),后面统称为CIP)，目标地址为VIP(负载均衡器前端地址，后面统称为VIP)。
2.负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将客户端请求报文的目标地址改为了后端服务器的RIP地址并将报文根据算法发送出去。
3.报文送到Real Server后，由于报文的目标地址是自己，所以会响应该请求，并将响应报文返还给LVS。
4.然后lvs将此报文的源地址修改为本机并发送给客户端

注意：在NAT模式中，Real Server的网关必须指向LVS，否则报文无法送达客户端

2.DR模型:

1.客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP，目标地址为VIP。
2.负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将客户端请求报文的源MAC地址改为自己DIP的MAC地址，目标MAC改为了RIP的MAC地址，并将此包发送给RS。
3.RS发现请求报文中的目的MAC是自己，就会将次报文接收下来，处理完请求报文后，将响应报文通过lo接口送给eth0网卡直接发送给客户端。

注意:需要设置lo接口的VIP不能响应本地网络内的arp请求.




3.TUN模型:

1.客户端将请求发往前端的负载均衡器，请求报文源地址是CIP，目标地址为VIP。
2.负载均衡器收到报文后，发现请求的是在规则里面存在的地址，那么它将在客户端请求报文的首部再封装一层IP报文,将源地址改为DIP，目标地址改为RIP,并将此包发送给RS。
3.RS收到请求报文后，会首先拆开第一层封装,然后发现里面还有一层IP首部的目标地址是自己lo接口上的VIP，所以会处理次请求报文，并将响应报文通过lo接口送给eth0网卡直接发送给客户端。

注意:需要设置lo接口的VIP不能在共网上出现.

四.LVS的调度算法
LVS的调度算法分为静态与动态两类。
1.静态算法（4种）：只根据算法进行调度 而不考虑后端服务器的实际连接情况和负载情况

1.RR：轮叫调度（Round Robin）
调度器通过”轮叫”调度算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的真实服务器上，它均等地对待每一台服务器，而不管服务器上实际的连接数和系统负载
2.WRR：加权轮叫（Weight RR）
调度器通过“加权轮叫”调度算法根据真实服务器的不同处理能力来调度访问请求。这样可以保证处理能力强的服务器处理更多的访问流量。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。
3.DH：目标地址散列调度（Destination Hash ）
根据请求的目标IP地址，作为散列键(HashKey)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未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空。
4.SH：源地址 hash（Source Hash）
源地址散列”调度算法根据请求的源IP地址，作为散列键(HashKey)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未超载，将请求发送到该服务器，否则返回空

2.动态算法（6种）：前端的调度器会根据后端真实服务器的实际连接情况来分配请求   

1.LC：最少链接（Least Connections）
调度器通过”最少连接”调度算法动态地将网络请求调度到已建立的链接数最少的服务器上。
如果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”调度算法可以较好地均衡负载。
2.WLC：加权最少连接(默认采用的就是这种)（Weighted Least Connections）
在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下，调度器采用“加权最少链接”调度算法优化负载均衡性能，
具有较高权值的服务器将承受较大比例的活动连接负载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。
3.SED：最短延迟调度（Shortest Expected Delay ）
在WLC基础上改进，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+1来实现，数目最小的，接受下次请求，+1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷：
当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态。
4.NQ永不排队/最少队列调度（Never Queue Scheduling NQ）
无需队列。如果有台 realserver的连接数＝0就直接分配过去，不需要再进行sed运算，保证不会有一个主机很空间。在SED基础上无论+几，第二次一定给下一个，保证不会有一个主机不会很空闲着，
不考虑非活动连接，才用NQ，SED要考虑活动状态连接，对于DNS的UDP不需要考虑非活动连接，而httpd的处于保持状态的服务就需要考虑非活动连接给服务器的压力。
5.LBLC：基于局部性的最少链接（locality-Based Least Connections）
基于局部性的最少链接”调度算法是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统该算法根据请求的目标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，则用“最少链接”的原则选出一个可用的服务器，将请求发送到该服务器
6.LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication）
带复制的基于局部性最少链接”调度算法也是针对目标IP地址的负载均衡，目前主要用于Cache集群系统它与LBLC算法的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该算法根据请求的目标IP地址找出该目标IP地址对应的服务器组，按”最小连接”原则从服务器组中选出一台服务器，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”原则从这个集群中选出一台服务器，将该服务器加入到服务器组中，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。

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