LVS负载均衡集群架构介绍

Posted 2020-10-21

为什么需要使用负载均衡呢？这是一个必较重要的问题
实际生产环境中某单台服务器已不能负载日常用访问压力时，就需要使用负载均衡，把用户的请求数据分担到（尽可能平均分配）后端所有功能同等的集群的节点上,同样也是为了解决单台服务器故障问题，从而提高用户的访问体验。

1、LVS的介绍
LVS（linux virtual server）LINUX虚拟服务器，是一个虚拟的服务器集群系统，可以在linux和unix系统中运行，1985年开发研究的项目
http://www.linuxvirtualserver.org/zh/ 官方网站

IPVS(lvs)发展史

在linux2.2内核时，IPVS就已经以内核补丁的形式出现
从2.4。24版本以后IPVS已经成为linux内核官方标准内核的一部分

LVS工作原理
LVS负载均衡调度技术是在linux内核中实现的，我们使用配置LVS时，不是直接配置内核中的IPVS，而是通过IPVS的管理工具IPVSADM来管理配置，LVS集群负载均衡器接受所有入站客户端的请求，并根据算法来决定由哪个集群的节点来处理请求。

LVS相关术语介绍

虚拟IP地址（VIP）
    用于向客户端提供服务的IP地址（配置于负载均衡器上）
真实的IP地址（RIP）
    集群中节点服务器的IP地址 
负载均衡器IP地址（DIP） 
   负载均衡器的IP地址，物理网卡上的IP，用与同外网连接的地址 
客户端主机IP地址（CIP）
    终端请求用户的主机IP地址

2、LVS负载均衡工作模式介绍
NAT网络地址转换模式（VS/NAT）
通过网络地址转换，调度器LB重写请求报文的目标地址，根据算法将请求分配给后端的真实主机服务器，真实服务器响应处理报文后返回给调度器LB，经过LB的报文源地址被重写，再返回给请求的客户端用户

过程详解：
1：客户端请求CIP（10.10.0.1:80），目标的地址是VIP（1.1.1.1:80）
2：数据经过LB，目的地址将被LB改写成后端服务器其中一个主机地址（RIP1192.168.1.1:80）
3：服务器接收到数据请求后返回应答信息（源地址：192.168.1.：80，目的地址：1.1.1.1:80，因此处的网关地址需指向LB）给LB
4：LB需将源数据地址改写成VIP地址（1.1.1.1:80，但实际的源地址是RIP1的地址）
5：LB将数据返回给请求的客户端用户，完成整个流程的访问
因此WEB访问量很大的时候，LB就会有很大的负载压力，一般支持10-20台节点，但是这种模式支持IP和端口的转换功能，即10.10.0.1:80----->1.1.1.1:80-------->192.168.1.1:8080

TUN隧道模式（VS/TUN）
LB将请求的报文通过IP隧道转发给真实服务器，这样LB只要需要处理请求入站报文，因此可提高访问效率

过程详解：
1：客户端发送请求数据包（源：CIP10.10.1.1:80，目的地址：VIP1.1.1.1:80）
2：数据包到达LB后，LB将数据包重新封装成另一个IP包（源目地址不变，增加一个IP头），通过隧道转发给真实服务器
3：真实服务器收到数据包后进行解包，数据包信息是（源：CIP 10.10.1.1:80，目的地址：VIP 1.1.1.1:80），最终发现目的地址不是自己（因此需要在服务器LO上绑定一个VIP地址），这样才会处理数据，返回处理数据
4：客户端接收到返回的数据（源地址VIP 1.1.1.1:80，目的地址CIP 10.10.1.1:80），符合TCP/IP的原理，因此整个访问过程完成

注：这时肯定有朋友发现这里会有一个问题，每台服务器上都绑定了一个相同VIP地址，用户访问时的目的地址也是VIP，当数据包达到路由器后经过转发至内网，内网可能会产生多台回应数据包的机器，然后用户收到的最快回应的内网机器发来的数据，这样一来数据包也就没有经过LB，就不是负载均衡了，所以需要做抑制ARP的功能，使所有真实服务器不再响应目的地址是VIP的请求，只要LB来响应请求，从而达到负载均衡。在实际生产环境中很少使用这种模式

DR模式（Direct Routing）直接路由模式
此模式是通过改写请求报文的目标MAC地址，将请求发给真实服务器，而真实服务器将响应后的数据直接回应给请求的客户端，此模式要求LB与真实服务器需要有一块物理网卡都是连接在同一网段上

过程详解：
1：客户端发出请求数据包（源CIP 10.10.1.1:80 目的 VIP1.1.1.1:80）
2：LB接收到数据包后，不转换地址及端口，也不重新封装，只是将数据帧中的目的地址的MAC地址改写算法调度的真实机的MAC地址，将数据包转发出去
3：真实机收到数据后，但是发现数据包中目的地址不是自己（所以事先也得在LO上绑定一个VIP地址，同时配置抑制ARP），这样真实机做出响应直接回复客户端
4：客户端收到回复的数据包（源VIP 1.1.1.1:80 目的CIP 10.10.1.1:80）,完成整个访问过程

注：LB只能改写目的MAC地址，因此它不能改变请求报文的目的端口端口，LVS只支持unix和linux，但集群节点服务器可以是win系统，此种模式配置相当麻烦

FULLNAT模式（淘宝开源）

解决了上述三种的缺点，解决了真实服务器能跨越VLAN通讯，只需要连接到内网即可
入站时，目标IP更改为真实服务器的IP,源IP更改为内网的本地IP（一组内网IP）
出站时，目标IP更改为客户端的IP，源IP更换为VIP

3、LVS调度算法介绍
LVS的调度算法决定了如何在集群节点之间分配负载压力（访问请求）

调度算法：
rr轮循调度：将请求依次分配给集群的节点，这种算法适用于各个节点处理能力基本相同的情况下
wrr加权轮循调度：根据节点的权重来分配，权重较高的优先分配
wlc加权最小连接数调度：按权重和连接数的数量来分配
lc最小连接数调度：按连接数的数量来分配

实际生产环境LVS调度算法选型
一般网络服务，如HTTP、MAIL、mysql常用的调度算法有：rr、wlc、wrr

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