LVS 负载均衡
- 一. 基础介绍
- 二. 工作模式
- 1.LVS-NAT
- 2.LVS-DR
- 3.LVS-TUN
- 三. LVS调度算法
- 四. keepalived
一. 基础介绍
LVS 全称 Linux Virtual Server，即Linux虚拟服务器，是由章文嵩博士主导的开源负载均衡项目，已被集成到Linux内核模块中。
LVS 的工作过程：client 端的互联网用户访问系统，LVS负载均衡服务器把用户的Web请求发送给LVS调度器，调度器在按照预设的算法将请求发送给后端的某台Web服务器，Web服务器访问数据存储服务器，返回用户访问的数据；整个过程对用户而言是透明的。
LVS 的目标，是作为流量接入层，处理更多的用户连接/用户请求，hold住流量；LVS不提供真正的服务，接受客户的访问，为整个集群提供一个唯一的入口，真正提供服务的是Real Server（可以是虚拟机，也可以数物理机）。
LVS 的特点，
- 快，能够快速响应互联网终端用户的请求，同时支持几百万的并发连接，系统的吞吐量最大可接近10Gbits/s
- 数据包级别的转发，不会和客户端进行握手
- 后端服务器可运行在Linux，Unix，Mac/OS，Windows NT/2000 等多种操作系统，支持大多数的TCP和UDP协议
- 对用户透明，无需对客户机和服务机做任何修改
LVS 的相关术语：
DS：Director Server，调度器，LVS前端负载均衡器
real Server：后端真实的工作服务器，真正提供服务
VIP：对外公布的IP，用户请求的目标IP的地址
DIP：Director Server IP，主要用于和 Real Server 之间通讯的IP地址
RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址
CIP：Client IP，访问客户端的IP地址
网络体系结构：
二. 工作模式
1.LVS-NAT
NAT （NetWork Address Translation）即网络地址转换，转换的是客户请求的目标地址，实现的思路是网络层（IP层）数据欺骗，将互联网终端用发送到Director的数据IP包中的目标地址进行替换。
NAT 的网络要求：
real server 的 gateway（默认网关）要指向Director中。只有Director拥有公共IP，暴露在广域网上。
NAT 的实现过程
client 发出请求，发送请求给Director 的VIP，Director 修改请求报文中的目标IP为RIP，Real Server 将请求的内容发给Director，Director再将报文中的源IP改为VIP。
NAT 的特点：
- 配置最简单
- 非对称的，上行小下行大
- 带宽是瓶颈
- 消耗算力，Director需要按照调度算法进行VIP到RIP的转换
2.LVS-DR
DR 模式采用的是直接路由的技术实现虚拟服务器。在DR模式中，LVS会依据Real Server的负载情况，连接数多少，动态地选择一台server，不修改目标IP和目标端口，而是将请求报文的数据帧的目标MAC地址修改为Real Server 的Mac地址，RS接收到数据包之后，直接撕掉MAC地址，就能看到目标IP（VIP）。
DR模式的实现过程：
- 当用户请求到达DS，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;
- PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链;
- IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，将请求报文中的源MAC地址修改为DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址;
- 由于DS和RS在同一个网络中，所以是通过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server;
- 响应报文最终送达至客户端;
DR 模式的特点和要求：
- 基于二层的，mac地址欺骗
- 请求时经过LVS，响应时直接返回给client，速度快，成本低
- 隐藏VIP，对内隐藏，对外可见，避免数据回传
- LVS 需要与RS在同一局域网内，因为需要通过MAC地址改写机制实现转发
3.LVS-TUN
TUN 模式又称 隧道 模式，IP隧道将一个IP报文封装在另一个IP报文中，即IP的数据包携带IP的数据包，解决了DR模型的物理局限性，实现了VIP——CIP的传输。
TUN模式的实现过程：
client 请求数据包，目标地址发送到LVS上，LVS收到client 的请求包，在数据包的包头加上IP隧道的包头，再发出去；RS根据包头信息收到请求包，解开IP隧道信息，得到client的请求包并进行处理，处理完之后，使用VIP的线路，将响应数据包发送给client。
三. LVS调度算法
active：活动连接，client与server有链接，并有数据传送
inactive：非活动连接，client与server有链接，但是没有数据传送
weight：权重
算法 | 说明 |
rr | 轮询算法，将请求依次分配给不用的rs节点，实现均摊分配 |
wrr | 加权轮询调度算法，依次给不同的RS的权值分配任务，权值高的优先获得任务，分配的连接数更多，相同权值的RS得到的连接数相同 |
lc | 最少连接调度，RS 中谁的连接少，就把下一个请求发给谁 |
wlc | 加权最少连接，(active*256+inactive)/weight，谁小就发给谁 |
Dh | 目的地址hash调度，以目的地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS |
SH | 源地址hash调度，以源地址为关键字查找一个静态hash表来获得需要的RS |
sed | 最短期望延迟，基于wlc，(active+1)*256/weight，谁小发给谁 |
nq | 不用排队，基于sed，在sed的基础上，谁的连接数为0就发给谁 |
lblc | 基于局部性的最少连接，类似于dh，目标地址hash，主要用于集群，若当前服务器未满负荷就分配，否则分配给连接数最小的RS |
lblcr | 带复制的基于局部性的最少连接，基于lblc，新请求直接发送给连接最少的RS |
四. keepalived
在分布式系统中，若LVS故障，会导致负载的业务下线，发生单点故障；若部分RS故障，LVS仍有这部分RS的负载记录，会造成部分用户请求得不到响应，影响系统的运行；keepalived可以有效的解决这两种故障，实现HA（高可用）。
解决策略：
- 单点问题，LVS实现一变多（主备/主主）
- LVS消除故障RS的负载记录问题，可以采用keepalived检测RS状态，验证应用层的HTTP协议，判断返回code，从而消除故障RS的负载记录。
keepalived的作用： - LVS Master监控自己的服务，通告自己在线，Backup监听M状态，若M故障，B将推举新的M
- 对后端real server做健康检查
