LVS（Linux Virtual Server）学习笔记

此文主要对lvs负载均衡学习的总结，一为记录，二为巩固。主要介绍：1、lvs基础；2、lvs的配置；3、lvs的实现

前提：负载均衡（LB Cluster）
    负载均衡实现方法有两种：硬件实现和软件实现；
        硬件比较常见的有：   1) F5 Big-IP；2）Citrix Netscaler；3）A TEN
        软件比较常见的有：   1）LVS（Linux Virtual Server）；2）nginx；3）HAProxy；4）ATS（Apache Traffic Server）

一、LVS基础

1.1 什么是lvs

　　LVS是Linux Virtual Server的缩写，顾名思义是一个虚拟的服务器集群系统，项目在1998年5月由张文嵩博士成立，在linux 2.6版本后，LVS被收录到内核中。

1.2 lvs能拿来干什么

　　LVS作为一个调度器，能把用户的大量并发请求负载均衡至后端服务器，使得网站在高并发下还能提供服务，而不至于瘫痪。LVS技术要达到的目标是：通过LVS提供的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能、高可用的服务器群集，它具有良好可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的服务性能。 LVS自从1998年开始，发展到现在已经是一个比较成熟的技术项目了。可以利用LVS技术实现高可伸缩的、高可用的网络服务，例如WWW服务、Cache服务、DNS服务、FTP服务、MAIL服务、视频/音频点播服务等等，有许多比较著名网站和组织都在使用LVS架设的集群系统，例如：Linux的门户网站（www.linux.com）、向RealPlayer提供音频视频服务而闻名的Real公司（www.real.com）、全球最大的开源网站（sourceforge.net）等。

1.3 lvs的工作模式

　　LVS是四层负载均衡，也就是说建立在OSI模型的第四层——传输层之上，传输层上有我们熟悉的TCP/UDP，LVS支持TCP/UDP的负载均衡。因为LVS是四层负载均衡，因此它相对于其它高层负载均衡的解决办法，比如DNS域名轮流解析、应用层负载的调度、客户端的调度等，它的效率是非常高的。

　　LVS的IP负载均衡技术是通过IPVS模块来实现的，IPVS是LVS集群系统的核心软件，它的主要作用是：安装在Director Server上，同时在Director Server上虚拟出一个IP地址，用户必须通过这个虚拟的IP地址访问服务。这个虚拟IP一般称为LVS的VIP，即Virtual IP。访问的请求首先经过VIP到达负载调度器，然后由负载调度器从Real Server列表中选取一个服务节点响应用户的请求。 当用户的请求到达负载调度器后，调度器如何将请求发送到提供服务的Real Server节点，而Real Server节点如何返回数据给用户，是IPVS实现的重点技术，IPVS实现负载均衡机制有几种，分别是NAT、DR、TUN及FULLNAT。

1.3.1 lvs-nat工作模式

　　NAT（Network Address Translation 网络地址转换）是一种外网和内外地址映射的技术，内网可以是私有网址，外网可以使用NAT方法修改数据报头，让外网与内网能够互相通信。NAT模式下，网络数据报的进出都要经过LVS的处理。LVS需要作为RS（真实服务器）的网关。当包到达LVS时，LVS做目标地址转换（DNAT），将目标IP改为RS的IP。RS接收到包以后，仿佛是客户端直接发给它的一样。RS处理完，返回响应时，源IP是RS IP，目标IP是客户端的IP。这时RS的包通过网关（LVS）中转，LVS会做源地址转换（SNAT），将包的源地址改为VIP，这样，这个包对客户端看起来就仿佛是LVS直接返回给它的。客户端无法感知到后端RS的存在。

（1）RIP和DIP必须在同一个IP网络，且应该使用私网地址；RS的网关要指向DIP；
（2）请求报文和响应报文都必须经由Director转发；Director易于成为系统瓶颈；
（3）支持端口映射，可修改请求报文的目标PORT；
（4）vs必须是Linux系统，rs可以是任意系统；

缺点：在整个过程中，所有输入输出的流量都要经过LVS 调度服务器。显然，LVS 调度服务器的网络I/O压力将会非常大，因此很容易成为瓶颈，特别是对于请求流量很小，而响应流量很大的Web类应用来说尤为如此。

优点： NAT模式的优点在于配置及管理简单，由于了使用NAT技术，LVS 调度器及应用服务器可以在不同网段中，网络架构更灵活，应用服务器只需要进行简单的网络设定即可加入集群。

1.3.2 lvs-dr工作模式（最为常用）

　　DR（Direct Routing 直接路由模式）此模式时LVS 调度器只接收客户发来的请求并将请求转发给后端服务器，后端服务器处理请求后直接把内容直接响应给客户，而不用再次经过LVS调度器。LVS只需要将网络帧的MAC地址修改为某一台后端服务器RS的MAC，该包就会被转发到相应的RS处理，注意此时的源IP和目标IP都没变。RS收到LVS转发来的包时，链路层发现MAC是自己的，到上面的网络层，发现IP也是自己的，于是这个包被合法地接受，RS感知不到前面有LVS的存在。而当RS返回响应时，只要直接向源IP（即用户的IP）返回即可，不再经过LVS。

注意：
    (1) 确保前端路由器将目标IP为VIP的请求报文发往Director：
        (a) 在前端网关做静态绑定；
        (b) 在RS上使用arptables；
        (c) 在RS上修改内核参数以限制arp通告及应答级别；
                arp_announce
                arp_ignore
    (2) RS的RIP可以使用私网地址，也可以是公网地址；RIP与DIP在同一IP网络；RIP的网关不能指向DIP，以确保响应报文不会经由Director；
    (3) RS跟Director要在同一个物理网络；
    (4) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director，而是由RS直接发往Client；
    (5) 此模式不支持端口映射；

缺点：唯一的缺陷在于它要求LVS 调度器及所有应用服务器在同一个网段中，因此不能实现集群的跨网段应用。

优点：可见在处理过程中LVS Route只处理请求的直接路由转发，所有响应结果由各个应用服务器自行处理，并对用户进行回复，网络流量将集中在LVS调度器之上。

1.3.3 lvs-tun 工作模式

　　TUN（virtual server via ip tunneling　IP 隧道）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。此转发方式不修改请求报文的IP首部（源IP为CIP，目标IP为VIP），而在原IP报文之外再封装一个IP首部（源IP是DIP，目标IP是RIP），将报文发往挑选出的目标RS；RS直接响应给客户端（源IP是VIP，目标IP是CIP），由于一般网络服务应答数据比请求报文大很多，采用lvs-tun模式后，集群系统的最大吞吐量可以提高10倍

注意：
    (1) DIP, VIP, RIP都应该是公网地址；
    (2) RS的网关不能，也不可能指向DIP；
    (3) 请求报文要经由Director，但响应不能经由Director；
    (4) 此模式不支持端口映射；
    (5) RS的操作系统得支持隧道功能

缺点:由于后端服务器RS处理数据后响应发送给用户，此时需要租借大量IP（特别是后端服务器使用较多的情况下）。

优点:实现lvs-tun模式时，LVS 调度器将TCP/IP请求进行重新封装并转发给后端服务器，由目标应用服务器直接回复用户。应用服务器之间是通过IP 隧道来进行转发，故两者可以存在于不同的网段中。

1.3.4 lvs-fullnat模式（此类型默认不支持）

　　此模式类似DNAT，它通过同时修改请求报文的源IP地址和目标IP地址进行转发

注意：
    (1) VIP是公网地址，RIP和DIP是私网地址，且通常不在同一IP网络；因此，RIP的网关一般不会指向DIP；
    (2) RS收到的请求报文源地址是DIP，因此，只需响应给DIP；但Director还要将其发往Client；
    (3) 请求和响应报文都经由Director；
    (4) 支持端口映射；

1.4 LVS 的调度算法

根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态，可分为静态方法和动态方法两种。

静态方法：   
        仅根据算法本身进行调度；
        RR：roundrobin，轮询调度，即简单在各主机间轮流调度；
        WRR：Weighted RR，加权轮询调度，根据各主机的权重进行轮询；
        SH：Source Hashing，实现session sticy，源IP地址hash；将来自于同一个IP地址的请求始终发往第一次挑中的RS，从而实现会话绑定；
        DH：Destination Hashing；目标地址哈希，将发往同一个目标地址的请求始终转发至第一次挑中的RS，典型使用场景是正向代理缓存场景中的负载均衡；

动态方法：
        主要根据每RS当前的负载状态及调度算法进行调度；
            Overhead=

            LC：least connections最小连接调度，；
                lvs根据Overhead=activeconns*256+inactiveconns计算服务器的负载状态，每次选择overhead最小的服务器
            WLC：Weighted LC 加权最小连接调度；
                lvs根据Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight来计算服务器负载，每次选择overhead最小的服务器，它是lvs的默认调度算法；
            SED：Shortest Expection Delay最短期望延迟，
                它不对 inactive 状态的连接进行计算，根据Overhead=(activeconns+1)*256/weight计算服务器负载，选择 overhead 最小的服务器进行调度
            NQ：Never Queue
                当有空闲服务器时，直接调度至空闲服务器，当没有空闲服务器时，使用 SED 算法进行调度
            LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，基于局部性最少连接，相当于 dh + wlc，正常请求下使用 dh 算法进行调度，如果服务器超载，则使用 wlc 算法调度至其他服务器；
            LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，与 LBLC 不同的是 LVS 将请求 IP 映射至一个服务池中，使用 dh 算法调度请求至对应的服务池中，使用 lc 算法选择服务池中的节点，当服务池中的所有节点超载，使用 lc 算法从所有后端 Realserver 中选择一个添加至服务吃中。

1.5 ipvsadm lvs负载均衡管理命令

核心功能：
            集群服务管理（lvs调度器）：增、删、改；
            集群服务的RS管理：增、删、改；
            查看；

管理集群服务：增、改、删；

            增、改：
                ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler] [-p [timeout]]

            删：
                ipvsadm -D -t|u|f service-address

            service-address：
                    -t|u|f：
                    -t: TCP协议的端口，VIP:TCP_PORT
                    -u: TCP协议的端口，VIP:UDP_PORT
                    -f：firewall MARK，是一个数字；

            [-s scheduler]：指定集群的调度算法，默认为wlc；

        例子：
            # ipvsadm -A -t 172.16.33.116:80 -s rr

管理集群上的RS：增、改、删；

            增、改：
                ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address [-g|i|m] [-w weight]

            删：
                ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address

            server-address：
                rip[:port]

            选项：
                lvs类型：
                    -g: gateway, dr类型
                    -i: ipip, tun类型
                    -m: masquerade, nat类型   
                    -w weight：权重；
        例子：
            # ipvsadm -a -t 172.16.33.117:80 -r 192.168.100.1 -m
            # ipvsadm -a -t 172.16.33.118:80 -r 192.168.100.2 -m

清空定义的所有内容：
                ipvsadm -C

查看：
        ipvsadm -L|l [options]
            --numeric, -n：numeric output of addresses and ports 
            --exact：expand numbers (display exact values)

            --connection， -c：output of current IPVS connections
            --stats：output of statistics information
            --rate ：output of rate information

保存和重载：
        ipvsadm -S = ipvsadm-save
        ipvsadm -R = ipvsadm-restore