LVS简介

LVS(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,目前LVS已经被集成到Linux内核模块中。该项目在Linux内核中实现了基于IP的数据请求负载均衡调度方案,其体系结构如图1所示,终端互联网用户从外部访问公司的外部负载均衡服务器,终端用户的Web请求会发送给LVS调度器,调度器根据自己预设的算法决定将该请求发送给后端的某台Web服务器,比如,轮询算法可以将外部的请求平均分发给后端的所有服务器,终端用户访问LVS调度器虽然会被转发到后端真实的服务器,但如果真实服务器连接的是相同的存储,提供的服务也是相同的服务,最终用户不管是访问哪台真实服务器,得到的服务内容都是一样的,整个集群对用户而言都是透明的。最后根据LVS工作模式的不同,真实服务器会选择不同的方式将用户需要的数据发送到终端用户,LVS工作模式分为NAT模式、TUN模式、以及DR模式。

三种工作模式的解析。

1、基于NAT的LVS模式负载均衡

      NAT(Network Address Translation)即网络地址转换,其作用是通过数据报头的修改,使得位于企业内部的私有IP地址可以访问外网,以及外部用用户可以访问位于公司内部的私有IP主机。VS/NAT工作模式拓扑结构如图2所示,LVS负载调度器可以使用两块网卡配置不同的IP地址,eth0设置为私钥IP与内部网络通过交换设备相互连接,eth1设备为外网IP与外部网络联通。

       第一步,用户通过互联网DNS服务器解析到公司负载均衡设备上面的外网地址,相对于真实服务器而言,LVS外网IP又称VIP(Virtual IP Address),用户通过访问VIP,即可连接后端的真实服务器(Real Server),而这一切对用户而言都是透明的,用户以为自己访问的就是真实服务器,但他并不知道自己访问的VIP仅仅是一个调度器,也不清楚后端的真实服务器到底在哪里、有多少真实服务器。

   第二步,用户将请求发送至124.126.147.168,此时LVS将根据预设的算法选择后端的一台真实服务器(192.168.0.1~192.168.0.3),将数据请求包转发给真实服务器,并且在转发之前LVS会修改数据包中的目标地址以及目标端口,目标地址与目标端口将被修改为选出的真实服务器IP地址以及相应的端口。

    第三步,真实的服务器将响应数据包返回给LVS调度器,调度器在得到响应的数据包后会将源地址和源端口修改为VIP及调度器相应的端口,修改完成后,由调度器将响应数据包发送回终端用户,另外,由于LVS调度器有一个连接Hash表,该表中会记录连接请求及转发信息,当同一个连接的下一个数据包发送给调度器时,从该Hash表中可以直接找到之前的连接记录,并根据记录信息选出相同的真实服务器及端口信息。

2、基于TUN的LVS负载均衡

       在LVS(NAT)模式的集群环境中,由于所有的数据请求及响应的数据包都需要经过LVS调度器转发,如果后端服务器的数量大于10台,则调度器就会成为整个集群环境的瓶颈。我们知道,数据请求包往往远小于响应数据包的大小。因为响应数据包中包含有客户需要的具体数据,所以LVS(TUN)的思路就是将请求与响应数据分离,让调度器仅处理数据请求,而让真实服务器响应数据包直接返回给客户端。VS/TUN工作模式拓扑结构如图3所示。其中,IP隧道(IP tunning)是一种数据包封装技术,它可以将原始数据包封装并添加新的包头(内容包括新的源地址及端口、目标地址及端口),从而实现将一个目标为调度器的VIP地址的数据包封装,通过隧道转发给后端的真实服务器(Real Server),通过将客户端发往调度器的原始数据包封装,并在其基础上添加新的数据包头(修改目标地址为调度器选择出来的真实服务器的IP地址及对应端口),LVS(TUN)模式要求真实服务器可以直接与外部网络连接,真实服务器在收到请求数据包后直接给客户端主机响应数据。

3、基于DR的LVS负载均衡

在LVS(TUN)模式下,由于需要在LVS调度器与真实服务器之间创建隧道连接,这同样会增加服务器的负担。与LVS(TUN)类似,DR模式也叫直接路由模式,其体系结构如图4所示,该模式中LVS依然仅承担数据的入站请求以及根据算法选出合理的真实服务器,最终由后端真实服务器负责将响应数据包发送返回给客户端。与隧道模式不同的是,直接路由模式(DR模式)要求调度器与后端服务器必须在同一个局域网内,VIP地址需要在调度器与后端所有的服务器间共享,因为最终的真实服务器给客户端回应数据包时需要设置源IP为VIP地址,目标IP为客户端IP,这样客户端访问的是调度器的VIP地址,回应的源地址也依然是该VIP地址(真实服务器上的VIP),客户端是感觉不到后端服务器存在的。由于多台计算机都设置了同样一个VIP地址,所以在直接路由模式中要求调度器的VIP地址是对外可见的,客户端需要将请求数据包发送到调度器主机,而所有的真实服务器的VIP地址必须配置在Non-ARP的网络设备上,也就是该网络设备并不会向外广播自己的MAC及对应的IP地址,真实服务器的VIP对外界是不可见的,但真实服务器却可以接受目标地址VIP的网络请求,并在回应数据包时将源地址设置为该VIP地址。调度器根据算法在选出真实服务器后,在不修改数据报文的情况下,将数据帧的MAC地址修改为选出的真实服务器的MAC地址,通过交换机将该数据帧发给真实服务器。整个过程中,真实服务器的VIP不需要对外界可见。

LVS的基本工作原理

  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

LVS的组成

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相关术语

  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/NAT特点

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

请求和响应报文都需要经过Director Server,高负载场景中,Director Server易成为性能瓶颈

支持端口映射

RS可以使用任意操作系统

缺陷:对Director Server压力会比较大,请求和响应都需经过director server

LVS/DR特点

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

LVS/Tun特点

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

其实企业中最常用的是 DR 实现方式,而 NAT 配置上比较简单和方便。

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。