簡述Lvs集羣類型及調度算法

Lvs的的介紹：

Lvs：Linux Virtual Server，負載調度器，集成內核 ，是一套開源軟件；用於實現負載均衡，工做在內核空間，四層轉發和四層路由，即在傳輸層轉發，因爲工做在內核空間，突破了套接字數量的限制，工做性能極強，經測試可以實現400w併發。

lvs集羣類型中的術語：

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

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

CIP：Client IP 客戶端ip

VIP: Virtualserver IP   VS外網的IP

DIP: DirectorIP VS              內網的IP

RIP: Realserver IP

VS: Virtual Server，負責調度
RS:Real Server，負責真正提供服務
官網： http://www.linuxvirtualserver.org/

LVS基本工做原理

1. 當用戶向負載均衡調度器（VS或者叫LB）發起請求，調度器將請求發往至內核空間。

2.     PREROUTING鏈首先會接收到用戶請求，判斷目標IP肯定是本機IP，將數據包發往INPUT鏈。

3.     IPVS是工做在INPUT鏈上的，當用戶請求到達INPUT時，IPVS會將用戶請求和本身已定義好的集羣服務進行比對，若是用戶請求的就是定義的集羣服務，那麼此時IPVS會強行修改數據包裏的目標IP地址及端口，並將新的數據包發往POSTROUTING鏈。

4.     POSTROUTING連接收數據包後發現目標IP地址恰好是本身的後端服務器，那麼此時經過選路，將數據包最終發送給後端的服務器。

四種集羣的工做類型

LVS/NAT： NAT模式。修改請求報文的目標IP,多目標IP的DNAT。

LVS/DR：DirectRouting（直接路由）。操縱封裝新的MAC地址。

LVS/TUN：Tunneling（隧道）。在原請求IP報文以外新加一個IP首部。

LVS/FULLNAT：Full NAT。修改請求報文的源和目標IP。

一、      lvs-nat：

原理：本質是多目標IP的DNAT，經過將請求報文中的目標地址和目標端口修改成某挑出的RS的RIP和PORT實現轉發

特性：

（1） RIP和DIP必須在同一個IP網絡，且應該使用私網地址；RS的網關要指向DIP
（2）請求報文和響應報文都必須經由Director轉發， Director   易於成爲系統瓶頸
（3）支持端口映射，可修改請求報文的目標PORT
（4） VS必須是Linux系統， RS能夠是任意OS系統  

體系拓撲圖：

NAT模式的報文詳細流向拓撲圖

(1). 當用戶請求到達DirectorServer，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。 此時報文的源IP爲CIP，目標IP爲VIP
(2). PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
(3). IPVS比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果，修改數據包的目標IP地址爲後端服務器IP，而後將數據包發至POSTROUTING鏈。 此時報文的源IP爲CIP，目標IP爲RIP
(4). POSTROUTING鏈經過選路，將數據包發送給Real Server
(5). Real Server比對發現目標爲本身的IP，開始構建響應報文發回給DirectorServer。 此時報文的源IP爲RIP，目標IP爲CIP
(6). Director Server在響應客戶端前，此時會將源IP地址修改成本身的VIP地址，而後響應給客戶端。 此時報文的源IP爲VIP，目標IP爲CIP2。

2. LVS/DR

原理：LVS-DR： Direct Routing，直接路由， LVS默認模式,應用最普遍,經過爲請求報文從新封裝一個MAC首部進行轉發，源MAC是DIP
所在的接口的MAC，目標MAC是某挑選出的RS的RIP所在接口的
MAC地址；源IP/PORT，以及目標IP/PORT均保持不變。

特性：

1、特色1：保證前端路由將目標地址爲VIP報文通通發給Director Server，而不是RS。

2、RS可使用私有地址；也能夠是公網地址，若是使用公網地址，此時能夠經過互聯網對RIP進行直接訪問。

3、RS跟Director Server必須在同一個物理網絡中。

4、全部的請求報文經由DirectorServer，但響應報文必須不能進過Director Server。

5、不支持地址轉換，也不支持端口映射。

6、RS能夠是大多數常見的操做系統。

7、RS的網關毫不容許指向DIP(由於咱們不容許他通過director)。

8、RS上的lo接口配置VIP的IP地址。

9、缺陷：RS和DS必須在同一機房中。

DR的結構拓撲圖：

DR模式的報文詳細流向拓撲圖

(1) 當用戶請求到達Director Server，此時請求的數據報文會先到內核空間的PREROUTING鏈。此時報文的源IP爲CIP，目標IP爲VIP 。
(2) PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈。
(3) IPVS比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果，在請求報文的首部再次封裝一層IP報文，封裝源IP爲爲DIP，目標IP爲RIP。而後發至POSTROUTING鏈。此時源IP爲DIP，目標IP爲RIP 。
(4) POSTROUTING鏈根據最新封裝的IP報文，將數據包發至RS（由於在外層封裝多了一層IP首部，因此能夠理解爲此時經過隧道傳輸）。此時源IP爲DIP，目標IP爲RIP。
(5) RS接收到報文後發現是本身的IP地址，就將報文接收下來，拆除掉最外層的IP後，會發現裏面還有一層IP首部，並且目標是本身的lo接口VIP，那麼此時RS開始處理此請求，處理完成以後，經過lo接口送給eth0網卡，而後向外傳遞。此時的源IP地址爲VIP，目標IP爲CIP。
(6) 響應報文最終送達至客戶端。

三、lvs-tun：
定義：轉發方式：不修改請求報文的IP首部（源IP爲CIP，目標IP爲VIP），而在原IP報文以外再封裝一個IP首部（源IP是DIP，目
標IP是RIP），將報文發往挑選出的目標RS； RS直接響應給客
戶端（源IP是VIP，目標IP是CIP）
特性：

(1) DIP, VIP, RIP都應該是公網地址
(2) RS的網關不能，也不可能指向DIP
(3) 請求報文要經由Director，但響應不能經由Director
(4) 不支持端口映射
(5) RS的OS須支持隧道功能

四、lvs-fullnat：

lvs-fullnat：經過同時修改請求報文的源IP地址和目標IP地址進行轉發
CIP --> DIP
VIP --> RIP
(1) VIP是公網地址， RIP和DIP是私網地址，且一般不在同一IP網絡；所以， RIP的網關通常不會指向DIP
(2) RS收到的請求報文源地址是DIP，所以，只需響應給
DIP；但Director還要將其發往Client
(3) 請求和響應報文都經由Director
(4) 支持端口映射；
注意：此類型kernel默認不支持

 

LVS調度算法

定義：根據其調度時是否考慮各RS當前的負載狀態，分爲靜態方法和動態方法。

靜態方法：僅根據算法自己進行調度

1.     RR：roundrobin，輪詢。

2.     WRR：Weighted RR，加權輪詢。

3.     SH：Source Hashing，實現session sticky，源IP地址hash；未來自於同一個IP地址的請求始終發往第一次挑中的RS，從而實現會話綁定。

4.     DH：Destination Hashing；目標地址哈希，將發往同一個目標地址的請求始終轉發至第一次挑中的RS，典型使用場景是正向代理緩存場景中的負載均衡，如：寬帶運營商。

動態方法：主要根據每RS當前的負載狀態及調度算法進行調度，Overhead=value較小的RS將被調度。

1.     LC：least connections，最少鏈接，適用於長鏈接應用。Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2.     WLC：Weighted LC，加權最少鏈接，默認調度方法。Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3.     SED：Shortest ExpectionDelay,初始鏈接高權重優先。Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4.     NQ：Never Queue，第一輪均勻分配，後續SED。

5.     LBLC：Locality-Based LC，動態的DH算法，使用場景： 根據負載狀態實現正向代理。

6.     LBLCR：LBLC withReplication，帶複製功能的LBLC，解決LBLC負載不均衡問題，從負載重的複製到負載輕的RS。

 

LVS工做模式總結：

• LVS/NAT, LVS/FULLNAT：請求和響應報文都經由VS

  • LVS/NAT：RIP的網關要指向DIP

  • LVS/FULLNAT：RIP和DIP未必在同一IP網絡，但要能通訊

• LVS/DR, LVS/TUN：請求報文要經由VS，但響應報文由RS直接發往Client

  • LVS/DR：經過封裝新的MAC首部實現，經過MAC網絡轉發

  • LVS/TUN：經過在原IP報文以外封裝新的IP報文實現轉發，支持遠距離通訊

注意：其實企業中最經常使用的是 DR 實現方式，而 NAT 配置上比較簡單和方便，後邊實踐中會總結DR 和 NAT 具體使用配置過程。