LVS 负载均衡原理详解-白红宇

LVS 负载均衡原理详解

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发布时间：2019-06-15

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LVS简介

LVS是一个开源软件，由章文嵩博士于1998年5月创立，可以实现Linux平台下的简单负载均衡。LVS是Linux Virtual Server的简写，是一个虚拟的服务器集群系统。

LVS是基于4层的负载均衡（IP+TCP端口），相比较Nginx、HAproxy可以支持7层的负载均衡（URL应用层）。

LVS有三种工作模式： NAT、DR、TUN

LVS的实现同Iptables一样都是基于Netfilter框架。

Netfilter 5个链表

LVS的组成

LVS由2部分程序组成，包括ipvs和ipvsadm

1、ipvs（ip virtual server）：一段工作在Linux内核的代码，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。

2、ipvsadm：另外一段工作在用户空间的代码，叫ipvsadm，负责为ipvs内核框架编写规则，定义谁是集群服务，谁是真实的服务器（Real Server）。

LVS术语

1. DS: Director Server, 指前端负载均衡器节点。

2. RS: Real Server，指后端真实的服务器节点。

3. VIP：服务的虚拟IP，暴露给用户访问。

4. DIP：Director Server IP，主要用于和RS通讯的IP地址。

5. RIP：Real Server IP，后端RS服务器的IP地址。

6. CIP: Client IP，客户端的IP地址。

NAT模式原理和特点

　LVS-NAT模型的原理

　　(a). 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

　　(b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

　　(c). 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

　　(d). POSTROUTING链通过选路，将数据包发送给Real Server

　　(e). 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

　　(f). 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

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

DR模式的原理和特点

　LVS-DR模式的原理

　　(a) 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

　　(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链

　　(c) 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

　　(d) 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。

　　(e) 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

　　(f) 响应报文最终送达至客户端

　LVS-DR模型的特性

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

LVS-TUN原理和特点

LVS-Tun模型原理

　　(a) 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 。
　　(b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
　　(c) 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
　　(d) 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
　　(e) 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
　　(f) 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

其实企业中最常用的是 DR 实现方式。

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。