linux系统构架 - LB集群之LVS介绍

LB 集群是 load balance 集群的简写，翻译成中文就是负载均衡集群。常用的负载均衡开源软件有 nginx、lvs、keepalived ，商业的硬件负载设备 F5、Netscale。

LB 集群的架构如下图，原理也很简答，就是当用户的请求过来时，会直接发到分发器（Director Server）上，然后它把用户的请求根据预先设置好的算法，智能均衡地分发到后端的真正服务器（real server）上。如果不同的机器，可能用户请求到的数据不一样，为了避免这样的情况发生，所以用到了共享存储，这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS 架构从逻辑上可分为调度层(Director)、server 集群层(Real server)和共享存储。LVS 从实现上分为下面三种模式。

LVS的基本工作过程

（1）NAT（调度器将请求的目标 ip 即 vip 地址改为 Real server 的 ip, 返回的数据包也经过调度器，调度器再把源地址修改为 vip）。

NAT模式-网络地址转换

Virtualserver via Network address translation(VS/NAT)

这个是通过网络地址转换的方法来实现调度的。首先调度器(LB)接收到客户的请求数据包时（请求的目的IP为VIP），根据调度算法决定将请求发送给哪个后端的真实服务器（RS）。然后调度就把客户端发送的请求数据包的目标IP地址及端口改成后端真实服务器的IP地址（RIP）,这样真实服务器（RS）就能够接收到客户的请求数据包了。真实服务器响应完请求后，查看默认路由（NAT模式下我们需要把RS的默认路由设置为LB服务器。）把响应后的数据包发送给LB,LB再接收到响应包后，把包的源地址改成虚拟地址（VIP）然后发送回给客户端。

原理图简述：

1)客户端请求数据，目标IP为VIP

2)请求数据到达LB服务器，LB根据调度算法将目的地址修改为RIP地址及对应端口（此RIP地址是根据调度算法得出的。）并在连接HASH表中记录下这个连接。

3)数据包从LB服务器到达RS服务器webserver，然后webserver进行响应。Webserver的网关必须是LB，然后将数据返回给LB服务器。

4)收到RS的返回后的数据，根据连接HASH表修改源地址VIP&目标地址CIP，及对应端口80.然后数据就从LB出发到达客户端。

5)客户端收到的就只能看到VIP\DIP信息。

NAT模式优缺点：

1、NAT技术将请求的报文和响应的报文都需要通过LB进行地址改写，因此网站访问量比较大的时候LB负载均衡调度器有比较大的瓶颈，一般要求最多之能10-20台节点

2、只需要在LB上配置一个公网IP地址就可以了。

3、每台内部的节点服务器的网关地址必须是调度器LB的内网地址。

4、NAT模式支持对IP地址和端口进行转换。即用户请求的端口和真实服务器的端口可以不一致。

（2）TUN （调度器将请求来的数据包封装加密通过 ip 隧道转发到后端的 real server 上，而 real server 会直接把数据返回给客户端，而不再经过调度器）。

TUN模式

virtual server via ip tunneling模式:采用NAT模式时，由于请求和响应的报文必须通过调度器地址重写，当客户请求越来越多时，调度器处理能力将成为瓶颈。为了解决这个问题，调度器把请求的报文通过IP隧道转发到真实的服务器。真实的服务器将响应处理后的数据直接返回给客户端。这样调度器就只处理请求入站报文，由于一般网络服务应答数据比请求报文大很多，采用VS/TUN模式后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍。

VS/TUN的工作流程图如下所示，它和NAT模式不同的是，它在LB和RS之间的传输不用改写IP地址。而是把客户请求包封装在一个IP tunnel里面，然后发送给RS节点服务器，节点服务器接收到之后解开IP tunnel后，进行响应处理。并且直接把包通过自己的外网地址发送给客户不用经过LB服务器。

Tunnel原理流程图:

原理图过程简述：

1）客户请求数据包，目标地址VIP发送到LB上。

2）LB接收到客户请求包，进行IP Tunnel封装。即在原有的包头加上IP Tunnel的包头。然后发送出去。

3）RS节点服务器根据IP Tunnel包头信息（此时就又一种逻辑上的隐形隧道，只有LB和RS之间懂）收到请求包，然后解开IP Tunnel包头信息，得到客户的请求包并进行响应处理。

4）响应处理完毕之后，RS服务器使用自己的出公网的线路，将这个响应数据包发送给客户端。源IP地址还是VIP地址。

（3）DR（调度器将请求来的数据包的目标 mac 地址改为 real server 的 mac 地址，返回的时候也不经过调度器，直接返回给客户端）。

DR模式（直接路由模式）

Virtual server via direct routing (vs/dr)

DR模式是通过改写请求报文的目标MAC地址，将请求发给真实服务器的，而真实服务器响应后的处理结果直接返回给客户端用户。同TUN模式一样，DR模式可以极大的提高集群系统的伸缩性。而且DR模式没有IP隧道的开销，对集群中的真实服务器也没有必要必须支持IP隧道协议的要求。但是要求调度器LB与真实服务器RS都有一块网卡连接到同一物理网段上，必须在同一个局域网环境。

DR模式是互联网使用比较多的一种模式。

DR模式原理图：

DR模式原理过程简述：

VS/DR模式的工作流程图如上图所示，它的连接调度和管理与NAT和TUN中的一样，它的报文转发方法和前两种不同。DR模式将报文直接路由给目标真实服务器。在DR模式中，调度器根据各个真实服务器的负载情况，连接数多少等，动态地选择一台服务器，不修改目标IP地址和目标端口，也不封装IP报文，而是将请求报文的数据帧的目标MAC地址改为真实服务器的MAC地址。然后再将修改的数据帧在服务器组的局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是真实服务器的MAC地址，并且又在同一个局域网。那么根据局域网的通讯原理，真实复位是一定能够收到由LB发出的数据包。真实服务器接收到请求数据包的时候，解开IP包头查看到的目标IP是VIP。（此时只有自己的IP符合目标IP才会接收进来，所以我们需要在本地的回环借口上面配置VIP。另：由于网络接口都会进行ARP广播响应，但集群的其他机器都有这个VIP的lo接口，都响应就会冲突。所以我们需要把真实服务器的lo接口的ARP响应关闭掉。）然后真实服务器做成请求响应，之后根据自己的路由信息将这个响应数据包发送回给客户，并且源IP地址还是VIP。

DR模式小结：

1、通过在调度器LB上修改数据包的目的MAC地址实现转发。注意源地址仍然是CIP，目的地址仍然是VIP地址。

2、请求的报文经过调度器，而RS响应处理后的报文无需经过调度器LB，因此并发访问量大时使用效率很高（和NAT模式比）

3、因为DR模式是通过MAC地址改写机制实现转发，因此所有RS节点和调度器LB只能在一个局域网里面

4、RS主机需要绑定VIP地址在LO接口上，并且需要配置ARP抑制。

5、RS节点的默认网关不需要配置成LB，而是直接配置为上级路由的网关，能让RS直接出网就可以。

6、由于DR模式的调度器仅做MAC地址的改写，所以调度器LB就不能改写目标端口，那么RS服务器就得使用和VIP相同的端口提供服务。

官方三种负载均衡技术比较总结表：

出现的几个 IP 概念，需要解释一下，其中 DIP(driector ip)为分发器的 IP，NAT 模式下它必须为公网 IP，要对外服务。VIP(virtual ip)为虚拟 IP，用在 TUN 和 DR 模式中，需要同时配置在分发器和后端真实服务器上。RIP(Real IP)为后端真实服务器的 IP，在 TUN 和DR 模式中，RIP 为公网 IP。

参考资料 http://www.it165.net/admin/html/201401/2248.html

LVS调度算法

要想把用户的请求调度给后端的 RS，是需要经过调度算法来实现的，那么关于 LVS 的调度算法，都有哪些？
（1）轮叫调度(Round Robin)(简称 rr)，这种算法是最简单的，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(Weighted Round Robin)(简称 wrr)，比上面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，权重取值范围 0-100。
（3）最少链接(least connection)(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(Weighted Least Connections)(WLC) ，比第三个算法多了一个权重的概念。

最好参考此文章：http://www.linuxvirtualserver.org/zh/lvs4.html