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LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

分类: 文章 • 2024-08-09 09:46:28

LVS

概述

LVS，是Linux Virtual Server的简称，也就是Linux虚拟服务器, 是一个由章文嵩博士发起的*软件项目。LVS由用户空间的ipvsadm和内核空间的IPVS组成，ipvsadm用来定义规则，IPVS利用ipvsadm定义的规则工作。现在LVS已经是 Linux标准内核的一部分，在Linux2.4内核以前，使用LVS时必须要重新编译内核以支持LVS功能模块，但是从Linux2.4内核以后，已经完全内置了LVS的各个功能模块，无需给内核打任何补丁，可以直接使用LVS提供的各种功能。

LB集群（Load Balance）的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，然后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样，需要用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS内的常用概念

  1. DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
  2. RS：Real Server。后端真实的工作服务器。
  3. VIP：向外部直接面向用户请求，作为用户请求的目标的IP地址。
  4. DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通讯的IP地址。
  5. RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
  6. CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。

  1. ipvs(ip virtual server)：一段代码工作在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。
  2. ipvsadm：另外一段是工作在用户空间，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，而谁是后端真实的服务器(Real Server)

LVS的基本工作原理

LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

  1. 当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间。
  2. PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP确定是本机IP，将数据包发往INPUT链。
  3. IPVS是工作在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和自己已定义好的集群服务进行比对，如果用户请求的就是定义的集群服务，那么此时IPVS会强行修改数据包里的目标IP地址及端口，并将新的数据包发往POSTROUTING链。
  4. POSTROUTING链接收数据包后发现目标IP地址刚好是自己的后端服务器，那么此时通过选路，将数据包最终发送给后端的服务器。

关于iptables的链和表，我另一篇博文中有介绍：iptables的链和表

NAT模式原理和特点

Virtual Server via NAT(VS-NAT):用地址翻译实现虚拟服务器｡地址转换器有能被外界访问到的合法IP地址,它修改来自专有网络的流出包的地址｡外界看起来包是来自地址转换器本身,当外界包送到转换器时,它能判断出应该将包送到内部网的哪个节点｡

LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

  1. 当用户请求到达Director Server，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。
  2. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
  3. IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，然后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP 。
  4. POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server。
  5. Real Server比对发现目标为自己的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP 。
  6. Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改为自己的VIP地址，然后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP。
LVS-NAT模型的特性

特性：

  • RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP
  • DIP和RIP必须在同一个网段内
  • 支持端口映射
  • RS可以使用任意操作系统
  • 节省IP地址

缺陷：

  • 效率低，对Director Server压力会比较大，请求和响应都需经过director server

DR模式原理和特点

LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

  1. 当用户请求到达Director Server，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。
  2. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
  3. 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。
  4. 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。
  5. RS发现请求报文的MAC地址是自己的MAC地址，就接收此报文。处理完成之后，将响应报文通过lo接口传送给eth0网卡然后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP。
  6. 响应报文最终送达至客户端。
LVS-DR模型的特性
  • 特点1：保证前端路由将目标地址为VIP报文统统发给Director Server，而不是RS。
  • RS可以使用私有地址；也可以是公网地址，如果使用公网地址，此时可以通过互联网对RIP进行直接访问
  • RS跟Director Server必须在同一个物理网络中
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持地址转换，也不支持端口映射
  • RS可以是大多数常见的操作系统
  • RS的网关绝不允许指向DIP(因为我们不允许他经过director)
  • RS上的lo接口配置VIP的IP地址
  • 缺陷：RS和DS必须在同一机房中
特点1的实施方案：

arptables：在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的，修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

Tun模式原理和特点

LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

  1. 当用户请求到达Director Server，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 。
  2. PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链。
  3. IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，若是，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。然后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP。
  4. POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（因为在外层封装多了一层IP首部，所以可以理解为此时通过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP。
  5. RS接收到报文后发现是自己的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，而且目标是自己的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成之后，通过lo接口送给eth0网卡，然后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP。
  6. 响应报文最终送达至客户端。
LVS-Tun模型特性
  • RIP、VIP、DIP全是公网地址
  • RS的网关不会也不可能指向DIP
  • 所有的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server
  • 不支持端口映射
  • RS的系统必须支持隧道、

full-nat模式原理和特点

LVS概念（4个工作模型，8种调度算法）

fullnat模型特点：
  • RIP，DIP可以使用私有地址；
  • RIP和DIP可以不再同一个网络中，且RIP的网关未必需要指向DIP；
  • 支持端口映射；
  • RS的OS可以使用任意类型；
  • 请求报文经由Director，响应报文也经由Director

LVS的八种调度算法

  1. 轮叫调度 rr
    这种算法是最简单的，就是按依次循环的方式将请求调度到不同的服务器上，该算法最大的特点就是简单。轮询算法假设所有的服务器处理请求的能力都是一样的，调度器会将所有的请求平均分配给每个真实服务器，不管后端 RS 配置和处理能力，非常均衡地分发下去。

  2. 加权轮叫 wrr
    这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念，可以给 RS 设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充， LVS 会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加要给权值，如果服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。

  3. 最少链接 lc
    这个算法会根据后端 RS 的连接数来决定把请求分发给谁，比如 RS1 连接数比 RS2 连接数少，那么请求就优先发给 RS1

  4. 加权最少链接 wlc
    这个算法比 lc 多了一个权重的概念。

  5. 基于局部性的最少连接调度算法 lblc
    这个算法是请求数据包的目标 IP 地址的一种调度算法，该算法先根据请求的目标 IP 地址寻找最近的该目标 IP 地址所有使用的服务器，如果这台服务器依然可用，并且有能力处理该请求，调度器会尽量选择相同的服务器，否则会继续选择其它可行的服务器

  6. 复杂的基于局部性最少的连接算法 lblcr
    记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的连接记录，它会维护一个目标 IP 到一组服务器之间的映射关系，防止单点服务器负载过高。

  7. 目标地址散列调度算法 dh
    该算法是根据目标 IP 地址通过散列函数将目标 IP 与服务器建立映射关系，出现服务器不可用或负载过高的情况下，发往该目标 IP 的请求会固定发给该服务器。

  8. 源地址散列调度算法 sh
    与目标地址散列调度算法类似，但它是根据源地址散列算法进行静态分配固定的服务器资源。

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