LVS 負載均衡原理詳解

LVS簡介

LVS是一個開源軟件，由章文嵩博士於1998年5月創立，能夠實現Linux平臺下的簡單負載均衡。LVS是Linux Virtual Server的簡寫，是一個虛擬的服務器集羣系統。html

LVS是基於4層的負載均衡（IP+TCP端口），相比較Nginx、HAproxy能夠支持7層的負載均衡（URL應用層）。前端

LVS有三種工做模式： NAT、DR、TUN算法

LVS的實現同Iptables同樣都是基於Netfilter框架。後端

Netfilter 5個鏈表服務器

LVS的組成

LVS由2部分程序組成，包括ipvs和ipvsadm網絡

一、ipvs（ip virtual server）：一段工做在Linux內核的代碼，叫ipvs，是真正生效實現調度的代碼。負載均衡

二、ipvsadm：另一段工做在用戶空間的代碼，叫ipvsadm，負責爲ipvs內核框架編寫規則，定義誰是集羣服務，誰是真實的服務器（Real Server）。框架

LVS術語

1. DS: Director Server, 指前端負載均衡器節點。函數

2. RS: Real Server，指後端真實的服務器節點。性能

3. VIP：服務的虛擬IP，暴露給用戶訪問。

4. DIP：Director Server IP，主要用於和RS通信的IP地址。

5. RIP：Real Server IP，後端RS服務器的IP地址。

6. CIP: Client IP，客戶端的IP地址。

NAT模式原理和特色

　LVS-NAT模型的原理

　　(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

DR模式的原理和特色

　LVS-DR模式的原理

　　(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

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

LVS-TUN原理和特色

LVS-Tun模型原理

　　(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。

LVS的八種調度算法

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 加權最少連接 wlc
這個算法比 lc 多了一個權重的概念。

5. 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

6. 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。

7. 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。

8. 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。

參考文章：https://www.cnblogs.com/liwei0526vip/p/6370103.html