LVS集群之工作原理

Posted 2020-09-12

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LVS的工作机制

LVS里Director本身不响应请求，只是接受转发请求到后方，Realservers才是后台真正响应请求。

LVS 工作原理基本类似DNAT，又不完全相像，它是一种四层交换，默认情况下通过用户请求的地址和端口来判断用户的请求，从而转发到后台真正提供服务的主机，而判断这种请求的是通过套接字来实现，所以四层就可以实现。

而且这个转发的过程对用户而言是透明的（简单的讲，就是用户访问DR的IP，而DR转发给RSS，而用户不知道这个过程）

 

LVS的工作模式:

1.DNAT

2.直接路由(DR)

3.隧道(tunnel)

 

2、提供的优点：

1.高并发

2.高冗余

3.适用性，扩展服务器，缩减服务器，方便服务器扩展和收缩

LVS 的IP地址类型

1.VIP:虚拟IP地址，并不提供服务，而是将用户的请求转发到后方（冗余网关的IP）

2 RIP:真正IP地址，客户端真正提供服务的IP地址（后端真实机的IP）

3.DIP:调度IP地址，通常是和RIP相连的LVS的IP地址（进行调度服务的IP）

4.CIP:客户端IP地址，用户请求时，用户的IP（客户端IP）

流程：如下图

 

 

LVS集群的类型：

1.LVS-NAT DNAT

2.LVS-DR 直接路由

3.LVS-TUN 隧道

 

下面我们详细说明这三种类型：

 

LVS-NAT模型原理

 

用户的请求和响应都需要经过Director

源地址，目标地址都需要经过转换，而目标地址转换是透明的

这种架构的扩展有限调度器，Director将处理所有的请求，压力比较大，扩展到10个结点就不行了

要求：

1.集群节点必须在同一个物理网络中，同一个子网或者VLAN

2.DIP和RIP只能在同一个网络（子网）中，不能跨越网段，跨网段的话 ，中间会断开，不能中继

3.RIP地址通常是私有地址，

4.所有的RIP，必须以DIP为网关（地址转换），

5.NAT的地址可以做端口转换（比如80--8080）

6.任何操作系统都可以做RIP，只要后端有服务

7.Director有可能成为整个系统的瓶颈

 

数据传输：

客户端访问VIP的服务（CIP->VIP），VIP根据调度算法把数据转发给一台后端RSS，进行数据包重写（IP头改为：VIP->RIP，MAC帧改为：Mvip->Mrip）,RIP收到数据包后，进行解包，发现是给自己的，然后就根据收到的数据包中的内容进行回复，回复给VIP，同样进行数据包重写，给VIP后直接回复给CIP。

 

LVS-DR模型原理

 

用户的请求必须经过Director，而realserver在响应的使用直接返回请求（图有问题，有可能设的网关不同，还存在一台路由器）

需要配置iptables规则，拒绝响应MAC地址转换，或者通过修改LINUX内核响应

优点：由于它比NAT少了一个地址转换，响应速度更快

特点

1.必须处于同一个物理网络中（连在同一个交换机上）

2.RIP可以使用公网地址（建议使用）

3.Director只转发请求，而realserver直接响应请求

4.集群节点的网关，不能指向DIP

5.不能做端口转换（不支持）

6.绝大多数的操作系统都可以实现realserver,而realserver需要同一个网卡配置多个Ip地址

7.DR模式的Director比NAT模式能够带动更多的节点

 

数据传输：

解决数据进入：

为了避免RS直接响应，给服务器的lo:0设置VIP地址，给本地网卡设置成CIP，这样RS就不会直接响应了，隐藏了RS

解决数据出去：

而默认情况下，Linux设置数据包从哪块网卡出去，源地址设为该网卡地址，通过添加一条特殊路由信息，如果目标地址是lo的VIP地址，那么出去的时候源地址设置为lo的地址。

路由信息的原理：

添加一条主机路由，将VIP的地址自己设置成一个网段,既子网掩码为255.255.255.255，这样VIP出去的时候没有比VIP更优的了，就成为最佳IP

 

在互联网上性能最佳的就是DR应用，但是有一个缺点，必须要求主机间距离比较近（比如一个机房），如果发生天灾人祸，集群就完了，所以我们为了实现异地分布，要采用隧道比如VPN

 

LVS-TUN模型原理：

虚拟隧道实现：

1.专线（加密）

2.二层：在MAC之外再加一层MAC

3.三层：源IP目标IP之外再加一层IP

隧道目的: 隐藏意图，通过转换来（ip套ip）隐藏目的

 

特征：

1.集群节点和Director不必在同一个网络，也可以位于不同网段。

2.RIP必须使用公网地址

3.Director只需要处理进来的请求，不需要处理出去的请求

4.响应的请求一定不能经过Direcor.

5.只能使用那些支持IP 隧道协议的操作系统做realserver

优点：LVS-TUN可以实现基于网络的集群，这样就脱离了LVS-DR和realserver之间的距离限制。

 

调度算法

LVS的负载均衡要依赖算法（Scheduling methods :调度方法）来实现，根据特点它们分为如下两类：

1.fiexd scheduling 静态（固定）

2.dnamic scheduling 动态

 

FIEXD SCHEDULING静态算法

 

特点：不考虑后端realserver的连接状态，而动态的要考虑后端的链接数为标准

1. Round-robin (RR) 轮询

既第一次访问A，第二次访问B,第三次再访问A…..循环下去

 

2. Weighted Round-Robin WRR

加强论调：提高后台服务器的响应能力

根据后方服务器的响应能力，来定义权重，根据权重来转发请求，权重大的优先访问

 

3.Destination hashing DH

目的：实现针对目标地址的请求做固定转发，基于目标

将来自同一个用户的特定请求转发到固定的指定的主机（比如提供web服务），以提高缓存（网页文件缓存）利用率（命中率）。

 

4.Souce hashing SH

目的：将来自同一个用户的地址，始终转发到router或者firewall，基于源

应用场景：

 

将用户的请求按照平均指定到不同的防火墙，实现平均内网负载，通过特定防火墙（网关）出去（上网）

静态算法的缺陷：不考虑后台real-server的负载,连接状态

 

动态算法：Dynamic Scheduling Mehtod

这里有两个概念：

活动连接：后台real-server当前处于活动状态（active）和ESTABLISHED state（想关联）的连接，像ssh，或者telnet会一直处于活动状态。

非活动连接：非活动的状态（inactive）或者非FIN的数据包,比如httpd(未开启keepalive), 而httpd除非启用keepalive, 发送完成后直接断开，处于inactive的状态

 

相关动态算法 ：

1. LC least-connection 最少连接

LC同时检查一台主机上的活动连接数和非活动连接数，连接数最少（活动状态的连接数少）的将会接受下一个连接请求。

LC同时考察活动连接和非活动连接，它用活动连接*256+非活动连接作为 overhead 通过overhead谁的小，转发给谁

但是非活动链接也会影响连接，当活动连接的比数比较大的时候，会影响结果

2.WLC Weighted Least-Connection 加权最少连接数

加权按照机器的性能划分。Overhead/加权请求要转发给小得那个

加权算法，是集群应用上的最好的算法之一，比较公平

 

2. SED Shortest Expected Delay 最短延迟

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，会导致空闲服务器一直处于无连接状态

 

3.NQ算法永不排队

保证不会有一个主机很空闲。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

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

 

4.LBLC 基于本地的最少连接算法

和DH的区别：考虑后台的负载能力和连接情况

支持权重，它在WLC基础上改进

 

5.LBLCR 基于本地的带复制的最少连接数

是对LBLC的一个改进，能够在LBLC的基础上实现负载均衡

判断后端，到底谁的连接少，当A的连接很多，而B的很空闲，会将A的部分连接分配到B上（打破原有规则，避免大范围的不公平）