LVS負載均衡（一）

時間  2019-11-16
標籤 lvs 負載 均衡 欄目 負載均衡 简体版
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http://www.jianshu.com/p/8a61de3f8be9
http://itnihao.blog.51cto.com/1741976/752472

負載均衡集羣是 load balance 集羣的簡寫，翻譯成中文就是負載均衡集羣。經常使用的負載均衡開源軟件有nginx、lvs、haproxy，商業的硬件負載均衡設備F五、Netscale。這裏主要是學習 LVS 並對其進行了詳細的總結記錄。前端

負載均衡LVS基本介紹

LB集羣的架構和原理很簡單，就是當用戶的請求過來時，會直接分發到Director Server上，而後它把用戶的請求根據設置好的調度算法，智能均衡地分發到後端真正服務器(real server)上。爲了不不一樣機器上用戶請求獲得的數據不同，須要用到了共享存儲，這樣保證全部用戶請求的數據是同樣的。linux

LVS是 Linux Virtual Server 的簡稱，也就是Linux虛擬服務器。這是一個由章文嵩博士發起的一個開源項目，它的如今 LVS 已是 Linux 內核標準的一部分。使用 LVS 能夠達到的技術目標是：經過 LVS 達到的負載均衡技術和 Linux 操做系統實現一個高性能高可用的 Linux 服務器集羣，它具備良好的可靠性、可擴展性和可操做性。從而以低廉的成本實現最優的性能。LVS 是一個實現負載均衡集羣的開源軟件項目，LVS架構從邏輯上可分爲調度層、Server集羣層和共享存儲。nginx

官方網是 http://www.linuxvirtualserver...web

LVS的基本工做原理

當用戶向負載均衡調度器（Director Server）發起請求，調度器將請求發往至內核空間算法

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vim

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鏈後端

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瀏覽器

LVS的組成

LVS 由2部分程序組成，包括 ipvs 和 ipvsadm。bash

ipvs(ip virtual server)：一段代碼工做在內核空間，叫ipvs，是真正生效實現調度的代碼。

ipvsadm：另一段是工做在用戶空間，叫ipvsadm，負責爲ipvs內核框架編寫規則，定義誰是集羣服務，而誰是後端真實的服務器(Real Server)

LVS相關術語

  • DS：Director Server。指的是前端負載均衡器節點。
  • RS：Real Server。後端真實的工做服務器。
  • VIP：向外部直接面向用戶請求，做爲用戶請求的目標的IP地址。
  • DIP：Director Server IP，主要用於和內部主機通信的IP地址。
  • RIP：Real Server IP，後端服務器的IP地址。
  • 6 CIP：Client IP，訪問客戶端的IP地址。

下邊是三種工做模式的原理和特色總結。

LVS/NAT原理和特色

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重點理解NAT方式的實現原理和數據包的改變。

  • (a). 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
  • (b). PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
  • (c). 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
  • (d). POSTROUTING鏈經過選路，將數據包發送給Real Server
  • (e). Real Server比對發現目標爲本身的IP，開始構建響應報文發回給Director Server。 此時報文的源IP爲RIP，目標IP爲CIP
  • (f). 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CIP

LVS-NAT模型的特性

RS應該使用私有地址，RS的網關必須指向DIP

DIP和RIP必須在同一個網段內

請求和響應報文都須要通過Director Server，高負載場景中，Director Server易成爲性能瓶頸

支持端口映射

RS可使用任意操做系統

缺陷：對Director Server壓力會比較大，請求和響應都需通過director server

LVS/DR原理和特色

重將請求報文的目標MAC地址設定爲挑選出的RS的MAC地址

  • (a) 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
  • (b) PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
  • (c) IPVS比對數據包請求的服務是否爲集羣服務，如果，將請求報文中的源MAC地址修改成DIP的MAC地址，將目標MAC地址修改RIP的MAC地址，而後將數據包發至POSTROUTING鏈。 此時的源IP和目的IP均未修改，僅修改了源MAC地址爲DIP的MAC地址，目標MAC地址爲RIP的MAC地址
  • (d) 因爲DS和RS在同一個網絡中，因此是經過二層來傳輸。POSTROUTING鏈檢查目標MAC地址爲RIP的MAC地址，那麼此時數據包將會發至Real Server。
  • (e) RS發現請求報文的MAC地址是本身的MAC地址，就接收此報文。處理完成以後，將響應報文經過lo接口傳送給eth0網卡而後向外發出。 此時的源IP地址爲VIP，目標IP爲CIP
  • (f) 響應報文最終送達至客戶端

LVS-DR模型的特性

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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

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

RS跟Director Server必須在同一個物理網絡中

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

不支持地址轉換，也不支持端口映射

RS能夠是大多數常見的操做系統

RS的網關毫不容許指向DIP(由於咱們不容許他通過director)

RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必須在同一機房中

特色1的解決方案：

在前端路由器作靜態地址路由綁定，將對於VIP的地址僅路由到Director Server

存在問題：用戶未必有路由操做權限，由於有多是運營商提供的，因此這個方法未必實用

arptables：在arp的層次上實如今ARP解析時作防火牆規則，過濾RS響應ARP請求。這是由iptables提供的

修改RS上內核參數（arp_ignore和arp_announce）將RS上的VIP配置在lo接口的別名上，並限制其不能響應對VIP地址解析請求。

LVS/Tun原理和特色

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在原有的IP報文外再次封裝多一層IP首部，內部IP首部(源地址爲CIP，目標IIP爲VIP)，外層IP首部(源地址爲DIP，目標IP爲RIP)

  • (a) 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 。
  • (b) PREROUTING檢查發現數據包的目標IP是本機，將數據包送至INPUT鏈
  • (c) 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
  • (d) 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
  • (e) 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
  • (f) 響應報文最終送達至客戶端

LVS-Tun模型特性

RIP、VIP、DIP全是公網地址

RS的網關不會也不可能指向DIP

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

不支持端口映射

RS的系統必須支持隧道

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。

VS的八種調度算法

輪叫調度 rr

這種算法是最簡單的，就是按依次循環的方式將請求調度到不一樣的服務器上，該算法最大的特色就是簡單。輪詢算法假設全部的服務器處理請求的能力都是同樣的，調度器會將全部的請求平均分配給每一個真實服務器，無論後端 RS 配置和處理能力，很是均衡地分發下去。

加權輪叫 wrr

這種算法比 rr 的算法多了一個權重的概念，能夠給 RS 設置權重，權重越高，那麼分發的請求數越多，權重的取值範圍 0 – 100。主要是對rr算法的一種優化和補充， LVS 會考慮每臺服務器的性能，並給每臺服務器添加要給權值，若是服務器A的權值爲1，服務器B的權值爲2，則調度到服務器B的請求會是服務器A的2倍。權值越高的服務器，處理的請求越多。

最少連接 lc

這個算法會根據後端 RS 的鏈接數來決定把請求分發給誰，好比 RS1 鏈接數比 RS2 鏈接數少，那麼請求就優先發給 RS1

加權最少連接 wlc

這個算法比 lc 多了一個權重的概念。

基於局部性的最少鏈接調度算法 lblc

這個算法是請求數據包的目標 IP 地址的一種調度算法，該算法先根據請求的目標 IP 地址尋找最近的該目標 IP 地址全部使用的服務器，若是這臺服務器依然可用，而且有能力處理該請求，調度器會盡可能選擇相同的服務器，不然會繼續選擇其它可行的服務器

複雜的基於局部性最少的鏈接算法 lblcr

記錄的不是要給目標 IP 與一臺服務器之間的鏈接記錄，它會維護一個目標 IP 到一組服務器之間的映射關係，防止單點服務器負載太高。

目標地址散列調度算法 dh

該算法是根據目標 IP 地址經過散列函數將目標 IP 與服務器創建映射關係，出現服務器不可用或負載太高的狀況下，發往該目標 IP 的請求會固定發給該服務器。

源地址散列調度算法 sh

與目標地址散列調度算法相似，但它是根據源地址散列算法進行靜態分配固定的服務器資源。

實踐LVS的NAT模式

實驗環境

三臺服務器，一臺做爲 director，兩臺做爲 real server，director 有一個外網網卡(172.16.254.200) 和一個內網ip(192.168.0.8)，兩個 real server 上只有內網 ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，而且須要把兩個 real server 的內網網關設置爲 director 的內網 ip(192.168.0.8)

安裝和配置

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務

# yum install -y nginx

 

Director 上安裝 ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

Director 上編輯 nat 實現腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

# 編輯寫入以下內容：

#! /bin/bash

# director服務器上開啓路由轉發功能:

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

 #關閉 icmp 的重定向

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects

#director設置 nat 防火牆

iptables -t nat -F

iptables -t nat -X

iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE

# director設置 ipvsadm

IPVSADM='/sbin/ipvsadm'

$IPVSADM -C

$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr

$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1

$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1

保存後，在 Director 上直接運行這個腳本就能夠完成 lvs/nat 的配置

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

查看ipvsadm設置的規則

ipvsadm -ln

測試LVS的效果

經過瀏覽器測試2臺機器上的web內容 http://172.16.254.200 。爲了區分開，咱們能夠把 nginx 的默認頁修改一下：

在 RS1 上執行

# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

 

在 RS2 上執行

# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html

注意，切記必定要在兩臺 RS 上設置網關的 IP 爲 director 的內網 IP。

實踐LVS的DR模式

實驗環境

三臺機器：

Director節點：  (eth0 192.168.0.8  vip eth0:0 192.168.0.38)

Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)

Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

安裝

兩個 real server 上都安裝 nginx 服務

# yum install -y nginx

 

Director 上安裝 ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

Director 上配置腳本

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

#! /bin/bash

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

ipv=/sbin/ipvsadm

vip=192.168.0.38

rs1=192.168.0.18

rs2=192.168.0.28

ifconfig eth0:0 down

ifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

route add -host $vip dev eth0:0

$ipv -C

$ipv -A -t $vip:80 -s wrr

$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3

$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1

執行腳本：

# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

在2臺 rs 上配置腳本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

#! /bin/bash

vip=192.168.0.38

ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

route add -host $vip lo:0

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

rs 上分別執行腳本：

bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

實驗測試

測試方式同上，瀏覽器訪問 http://192.168.0.38

注意：在 DR 模式下，2臺 rs 節點的 gateway 不須要設置成 dir 節點的 IP 。

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