LVS负载均衡服务

Posted 2020-06-15

1.LVS的介绍：

  LVS服务器全称为Linux Virtual Server，由章文嵩博士开发。LVS工作在TCP/IP协议栈上(netfilter/input链上)，根据IP/PORT实现数据包的转发、调度，并且能够根据不同的算法，实现调度策略。

  注：由于LVS工作在netfilter/input链上，所以无法和IPTABLES同时使用。

2.为什么要使用LVS？

  由于互联网人数的直线式增长，导致了WEB服务器资源占用量的急剧增加，这时会出现硬件资源不够用的情况下，此时要想继续为用户提供服务，就必须对硬件资源进行扩充。要么纵向对硬件服务器进行升级(甚至是更换硬件)，要么横向扩展增加服务器的数量。然而对硬件服务器进行升级通常是有限的，此时就只能考虑第二种方式，增加服务器的数量。

  打个比方：A公司有一个网站，最开始有2000名用户，同时在线最高有1600人，服务器完全应付的过来。但是后来他们对论坛做推广，用户数骤增到4000名，当在线人数高于2000人服务器就会直接挂掉。于是团队对服务器进行硬件升级，增加了3个CPU，16G内存，此时服务器已经达到部件升级的顶级，但是仍然无法应付。这时有了三个方案：

  (1)买一台更高级的，把旧的替换掉；

  (2)买一台同样的配置的服务器，对其做负载均衡；

  (3)买一台更高级的，新旧同时做负载均衡；

  这三个方案中，作为老板来讲很显然是最后两个更容易接受。假设A公司选择了第二或第三种方案，并且两台服务器提供了同样的资源，此时如何让用户访问一个域名时能分配到不同的服务器？比较简单的可以做DNS负载均衡，不过，这种负载均衡仅能提供IP的轮流解析，无法实现更高级的算法，当其中一台服务器的用户活跃度比另一台高的时候，就代表你的负载均衡失效，如果不幸挂掉后果可想而知。

  这时就需要LVS了，正如第一段所述，LVS不仅仅可以根据IP/PORT实现负载均衡，还可以根据不同的算法实施不同的调度策略，所以其应用场景更加广泛，并且他工作于Linux的内核中，占用资源非常的少，但是效率非常的高。

3.LVS的两个模块：

  LVS提供两个模块，ipvsadm和ipvs，ipvs类似于netfilter，是一个规则的实施模块，ipvsadm是一个规则的配置工具，需要用户自行安装。

4.LVS的算法：

  算法，就是解决问题的步骤。LVS根据为其配置的调度算法对数据进行分发。LVS有8种调度算法，从而实现不同场景、不同需求的负载调度机制。

 大体可分为两种：

  4.1 固定调度：不考虑后端服务器的状态因素(例如活动连接数)，按照规则对数据进行分发。

    4.1.1 rr：轮询，对后端服务器轮流进行数据分发。

    4.1.2 wrr：加权轮询，根据权重对后端服务器进行数据分发。

    4.1.3 sh：源地址hash，将相同客户端请求分给上次相同的Real Server，实现会话绑定

    4.1.4 DH：目标地址hash，将同一个目标IP地址的请求发送给同一个Server，类似于sh，应用于Cache服务器。

  4.2 动态调度：考虑后端服务器的状态因素，并依照其状态进行计算实现策略分发。

    4.2.1 lc：最少连接：

    active*256+inactive；哪台服务器的值小分发给谁；结果一样按IP规则选项；

    4.2.2 wlc：加权最少连接：

    (active*256+inactive)/weigth；哪台服务器值小分发给谁；结果一样按IP规则选项；

    4.2.3 lblc：基于本地的最少连接；

    尽可能的将同一个目标IP的请求发送给同一个服务器；

    4.2.4 lblcr：基于本地的带复制功能的最少连接

    Cache服务器共享缓存数据，尽可能的将同一个目标IP地址的请求发送给主Cache Server。

  LVS的默认调度算法是wlc，请求数量非常大的收获，非活动连接(inactive)不能忽略。

5.LVS的三种工作模式：NAT、DR、TUN及注意事项

  5.1 NAT：地址转换，多目标DNAT

  NAT模式。此模式中，LVS位于Client与Real Server之间，LVS需要处理Client请求与Real Server响应请求。大致流程、逻辑架构如下：

  我们总结一下NAT特性：

    1.所有数据经由LVS转发并做地址转换
    2.集群节点必须和Director在同一网络中（real server网关需指向DIP，所以要在同一网络中）
    3.real server网关必须指向DIP（所有数据经由LVS转发，所以必须指向DIP）
    4.real server可以配置私网、公网地址
    5.Director可以做端口映射

    6.real server可以使用任何操作系统

  NAT模式的缺点：

    由于所有数据包都需要经由LVS转换NAT并转发，所以会导致LVS服务器繁忙的处理NAT操作，导致分发(调度)计算能力下降，易成为瓶颈。所以此模式并不适合生产环境使用，但是面试的时候很可能会问到其特性，最好可以记一记。

  5.2 DR：直接路由

  DR模式。此模式中，LVS位于Client与Real Server之间，不过LVS仅处理Client请求。大致流程、逻辑架构如下

  注：LVS是配置的Real Server的IP地址，是RIP，而不是VIP。当数据包来的时候，LVS计算并分配一台服务器，然后得到其RIP，发起ARP广播，获取到RIP的MAC，将这个包发送出去。当Real Server接收到的时候，他发现目标地址是VIP，而恰巧VIP自己也有配置，所以就处理了！

  我们总结一下DR特性：

    1.Director只负责请求报文
    2.Director必须和Real Server在同一物理网络中（因为请求是由MAC地址分发的）
    3.RIP可以配置为公网地址，实现远程管理
    4.Director通过MAC来实现分发请求到Real Server
    5.Director不能做端口映射、Real Server的网关不能指向Director
    6.需要拒绝Real Server的对VIP的ARP应答。

  5.3 TUN：隧道模式

  TUN模式。此模式中，LVS位于Client与Real Server之间，与DR一样，LVS仅处理Client请求。大致流程、逻辑架构如下：

  我们总结一下TUN特性：

    1.Director可以和Real Server不在同一网络中
    2.Director只接收请求报文
    3.Director通过重新封装IP首部进行请求分发
    4.生产环境中，不同IDC机房的情况下，RIP必须为公网地址
    5.Real Server必须是支持TUN的操作系统

最后附一张特性图：

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