简述Lvs集群类型及调度算法

Posted 2020-10-12

Lvs的的介绍：

Lvs：Linux Virtual Server，负载调度器，集成内核 ，是一套开源软件；用于实现负载均衡，工作在内核空间，四层转发和四层路由，即在传输层转发，由于工作在内核空间，突破了套接字数量的限制，工作性能极强，经测试能够实现400w并发。

lvs集群类型中的术语：

VS：VirtualServer，Director，Dispatcher(调度器)，Load Balancer

RS：Real Server(lvs里)， upstream server(nginx里)，backend server(haproxy里)、Replica（副本）

CIP：Client IP 客户端ip

VIP: Virtualserver IP   VS外网的IP

DIP: DirectorIP VS              内网的IP

RIP: Realserver IP

VS: Virtual Server，负责调度
RS:Real Server，负责真正提供服务
官网： http://www.linuxvirtualserver.org/

LVS基本工作原理

1. 当用户向负载均衡调度器（VS或者叫LB）发起请求，调度器将请求发往至内核空间。

2.     PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链。

3.     IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链。

4.     POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器。

四种集群的工作类型

LVS/NAT： NAT模式。修改请求报文的目标IP,多目标IP的DNAT。

LVS/DR：DirectRouting（直接路由）。操纵封装新的MAC地址。

LVS/TUN：Tunneling（隧道）。在原请求IP报文之外新加一个IP首部。

LVS/FULLNAT：Full NAT。修改请求报文的源和目标IP。

1、      lvs-nat：

原理：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

特性：

（1） RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；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  

体系拓扑图：

NAT模式的报文详细流向拓扑图

(1). 当用户请求到达DirectorServer，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
(2). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
(3). IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
(4). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server
(5). Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给DirectorServer。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
(6). Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP2。

2. LVS/DR

原理：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。

特性：

1、特点1：保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS。

2、RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问。

3、RS跟Director Server必须在同一个物理网络中。

4、所有的请求报文经由DirectorServer，但响应报文必须不能进过Director Server。

5、不支持地址转换，也不支持端口映射。

6、RS可以是大多数常见的操作系统。

7、RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)。

8、RS上的lo接口配置VIP的IP地址。

9、缺陷：RS和DS必须在同一机房中。

DR的结构拓扑图：

DR模式的报文详细流向拓扑图

(1) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
(2) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
(3) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。此时源IP为DIP，目标IP为RIP 。
(4) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。此时源IP为DIP，目标IP为RIP。
(5) RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP。
(6) 响应报文最终送达至客户端。

3、lvs-tun：
定义：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）
特性：

(1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址
(2) RS的网关不能，也不可能指向DIP
(3) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director
(4) 不支持端口映射
(5) RS的OS须支持隧道功能

4、lvs-fullnat：

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；
注意：此类型kernel默认不支持

 

LVS调度算法

定义：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，分为静态方法和动态方法。

静态方法：仅根据算法本身进行调度

1.     RR：roundrobin，轮询。

2.     WRR：Weighted RR，加权轮询。

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，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：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，最少连接，适用于长连接应用。Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2.     WLC：Weighted LC，加权最少连接，默认调度方法。Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3.     SED：Shortest ExpectionDelay,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 withReplication，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。

 

LVS工作模式总结：

• LVS/NAT, LVS/FULLNAT：请求和响应报文都经由VS

  • 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, LVS/TUN：请求报文要经由VS，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报文之外封装新的IP报文实现转发，支持远距离通信

注意：其实企业中最常用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，后边实践中会总结DR 和 NAT 具体使用配置过程。

 

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