LVS，即Linux Virtual Server的簡(jiǎn)寫(xiě)，是目前非常流行的一款實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡集群的軟件。該項(xiàng)目在1998年5月由章文嵩博士成立，是中國(guó)國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)的自由軟件項(xiàng)目之一。LVS官網(wǎng)http://www.linuxvirtualserver.org/。

1、LVS體系架構(gòu)

LVS負(fù)載均衡集群由三部分組成：最前端的負(fù)載均衡層，即Load Balancer；中間的服務(wù)器群組層，即Server Array；最后端的數(shù)據(jù)共享存儲(chǔ)層，即Shared Storage。在用戶(hù)看來(lái)，所有的內(nèi)部應(yīng)用都是透明的，用戶(hù)只是在使用一個(gè)虛擬服務(wù)器提供的高性能服務(wù)。

• Load Balancer：位于整個(gè)集群的最前端，由一臺(tái)或多臺(tái)負(fù)載調(diào)度器（Director Server）組成，LVS模塊就安裝在Director Server上，Director Server的作用類(lèi)似于一個(gè)路由器，它含有完成LVS功能所需要的路由表，通過(guò)這些路由表把用戶(hù)的請(qǐng)求分發(fā)給Server Array的應(yīng)用服務(wù)器（Real Server）。同時(shí)，在Director Server上還要安裝監(jiān)控模塊Ldirectord，用于監(jiān)控后端Real Server的健康狀況，在Real Server不可用時(shí)將其從LVS的路由表中剔除，恢復(fù)時(shí)重新加入；Director Server是整個(gè)LVS的核心，操作系統(tǒng)只支持Linux或FreeBSD，Linux從2.6內(nèi)核起不用重新編譯就可以支持LVS功能
• Server Array：由一組實(shí)際運(yùn)行的應(yīng)用服務(wù)器（Real Server）組成，每個(gè)Real Server之間通過(guò)高速的LAN或分布在各地的WAN相連，在實(shí)際應(yīng)用中Director Server也可以同時(shí)兼任Real Server的角色；對(duì)于Real Server，可以是任意平臺(tái)的操作系統(tǒng)，如Linux、Windows、AIX等
• Shared Storage：為所有的Real Server提供共享存儲(chǔ)空間和內(nèi)容一致性的存儲(chǔ)區(qū)域。在物理上，一般由磁盤(pán)陣列設(shè)備組成；為了提供內(nèi)容的一致性，一般可以通過(guò)NFS進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，但NFS在繁忙的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中性能并不是很好，此時(shí)可以采用集群文件系統(tǒng)，如RedHat的GFS、Oracle的OCFS2等

整個(gè)架構(gòu)具體如下圖所示：

2、LVS IP負(fù)載均衡機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

負(fù)載均衡技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方案，如基于DNS域名輪流解析的方法、基于客戶(hù)端調(diào)度訪問(wèn)的方法、基于應(yīng)用層系統(tǒng)負(fù)載的調(diào)度方法、基于IP地址的調(diào)度方法。在這些調(diào)度方法中，基于IP地址的方法是執(zhí)行效率最高的。

LVS的IP負(fù)載均衡技術(shù)是通過(guò)IPVS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，IPVS是LVS的核心模塊。

在LVS中，訪問(wèn)請(qǐng)求首先經(jīng)過(guò)VIP到達(dá)負(fù)載均衡調(diào)度器，然后由負(fù)載均衡調(diào)度器從Real Server列表中選取一個(gè)Real Server響應(yīng)用戶(hù)的請(qǐng)求。Real Server如何將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)，是IPVS實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，IPVS實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的機(jī)制有以下幾種：

2.1、DR模式

DR即Virtual Server via Direct Routing，使用直接路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器。VS/DR通過(guò)改寫(xiě)請(qǐng)求報(bào)文的MAC地址，將請(qǐng)求發(fā)送到Real Server，而Real Server將響應(yīng)直接返回給客戶(hù)端。這種調(diào)度方式的性能是最好的。DR模式架構(gòu)如下圖所示：

• DR模式是通過(guò)在負(fù)載均衡調(diào)度器LB上修改數(shù)據(jù)包的目的MAC地址實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。因此數(shù)據(jù)包來(lái)源地址保持不變，目的地址仍然是VIP
• 請(qǐng)求的報(bào)文經(jīng)過(guò)LB，而后端RS響應(yīng)處理后的報(bào)文無(wú)需經(jīng)過(guò)LB，因此并發(fā)訪問(wèn)量大時(shí)效率很高（與NAT模式相比）
• 因?yàn)镈R模式通過(guò)MAC地址改寫(xiě)機(jī)制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)，因此所有RS和LB只能在一個(gè)局域網(wǎng)中
• RS上需要綁定VIP地址到lo接口上，并且需要配置ARP抑制
• RS的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)不需要配置成LB，而是直接配置為上層路由網(wǎng)關(guān)，只要能讓RS直接與客戶(hù)端通訊即可
• 由于DR模式的LB僅作MAC地址改寫(xiě)，所以LB就不能改寫(xiě)目標(biāo)端口，那么RS就能使用和VIP相同的端口提供服務(wù)

2.2、NAT/FULL NAT模式

NAT，即Virtual Server via Network Address Translation，使用網(wǎng)絡(luò)地址翻譯技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器。當(dāng)用戶(hù)的請(qǐng)求到達(dá)LB時(shí)，LB將請(qǐng)求報(bào)文的目的地址改成選定的RS地址，同時(shí)將報(bào)文的目標(biāo)端口也改成選定的RS的相應(yīng)端口；RS將返回的數(shù)據(jù)提交給LB，LB再將報(bào)文源地址和源端口修改成VIP和相應(yīng)的端口后將數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)，完成整個(gè)負(fù)載調(diào)度過(guò)程。NAT/FULL NAT模式架構(gòu)如下圖所示：

• NAT模式不需要LB和RS在同一個(gè)網(wǎng)段
• NAT模式將請(qǐng)求的報(bào)文和響應(yīng)的報(bào)文都經(jīng)過(guò)LB進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和地址改寫(xiě)，因此訪問(wèn)量大時(shí)，LB有較大的瓶頸，一般一臺(tái)LB最多只能帶10-20臺(tái)RS
• 只需要在LB上配置一個(gè)公網(wǎng)IP即可
• 每臺(tái)RS的網(wǎng)關(guān)地址必須是LB的IP
• 支持IP地址和端口的轉(zhuǎn)換，即前端LB和后端RS提供服務(wù)的端口可以不一致
• LB節(jié)點(diǎn)上必須開(kāi)啟數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，否則返回的數(shù)據(jù)無(wú)法到達(dá)客戶(hù)端。在Linux下使用以下方法打開(kāi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能 # 在/etc/sysctl.conf中添加以下內(nèi)容 net.ipv4.ip_forward = 1 # 值為0表示不開(kāi)啟轉(zhuǎn)發(fā)功能，1表示開(kāi)啟轉(zhuǎn)發(fā)功能 # 修改完成后執(zhí)行以下命令使配置生效 sysctl -p

FULL NAT與NAT的區(qū)別

FULL NAT與NAT的區(qū)別主要在對(duì)報(bào)文的處理方面：

• FULL NAT在客戶(hù)端請(qǐng)求VIP時(shí)，不僅替換了報(bào)文中的目的IP，還替換了源IP；VIP返回給客戶(hù)端時(shí)也替換了源IP
• FULL NAT因?yàn)橐鎿Q源IP所以性能比NAT下降10%

2.3、TUN模式

TUN，即Virtual Server via IP Tunneling，通過(guò)IP隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬服務(wù)器。LB采用IP隧道技術(shù)將用戶(hù)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到某個(gè)RS，RS直接將數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)，不需要再經(jīng)過(guò)LB。在TUN模式中，LB與RS不需要在同一個(gè)網(wǎng)段；同時(shí)LB只處理用戶(hù)請(qǐng)求報(bào)文，使得集群吞吐量大大提高。TUN模式架構(gòu)如下圖所示：

• TUN模式中LB和RS之間的傳輸不需要修改報(bào)文，而是通過(guò)單獨(dú)建立的IP隧道傳輸
• TUN模式必須在所有的RS上綁定VIP
• TUN模式使用IP隧道，在增加了運(yùn)維方面的難度

3、LVS的負(fù)載調(diào)度算法

LVS的負(fù)載調(diào)度算法可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)算法是僅根據(jù)算法進(jìn)行調(diào)度，而不考慮后端RS的實(shí)際連接和負(fù)載情況；動(dòng)態(tài)算法可以根據(jù)后端RS的實(shí)際連接和負(fù)載來(lái)進(jìn)行請(qǐng)求調(diào)度。

靜態(tài)算法有四種，分別是RR、WRR、DH和SH。

• RR輪詢(xún)算法：LB將請(qǐng)求按照順序輪流分配到后端RS，它均等對(duì)待后端每一臺(tái)RS，適用于后端RS節(jié)點(diǎn)處理性能差不多的場(chǎng)景
• WRR加權(quán)輪詢(xún)算法：LB根據(jù)RS的權(quán)重分配任務(wù)
• DH目的地址哈希調(diào)度算法：以目的IP地址為關(guān)鍵字查找一個(gè)靜態(tài)哈希表來(lái)獲取需要的RS
• SH源地址哈希調(diào)度算法：以源IP地址為關(guān)鍵字查找一個(gè)靜態(tài)哈希表來(lái)獲取需要的RS

動(dòng)態(tài)算法有六種，分別是LC、WLC、SED、NQ、LBLC和LBLCR

• LC最少連接算法：LB將請(qǐng)求動(dòng)態(tài)的調(diào)度到已建立連接最少的后端RS上。在后端RS性能相近的情況下適用該算法可以較好的平衡負(fù)載
• WLC加權(quán)最少連接算法：在LC的基礎(chǔ)上根據(jù)權(quán)重來(lái)將請(qǐng)求動(dòng)態(tài)的調(diào)度到后端的RS上，用于在后端RS性能相差較大的環(huán)境中
• SED最短延遲調(diào)度算法：基于WLC算法。如果ABC三臺(tái)RS的權(quán)重分別為1、2、3，則使用SED時(shí)會(huì)進(jìn)行以下計(jì)算，A - （1+1）/1；B - （2+1）/2；C - （3+1）/3，LB會(huì)將請(qǐng)求交給運(yùn)算結(jié)果最小的RS
• NQ永不排隊(duì)/最少隊(duì)列算法：無(wú)需排隊(duì)，如果有RS的連接數(shù)為0則直接將請(qǐng)求調(diào)度給該RS而不進(jìn)行SED計(jì)算
• LBLC基于地址的最小連接數(shù)調(diào)度算法：將來(lái)自同一個(gè)目的IP地址的請(qǐng)求分配給同一臺(tái)RS，如果該RS的負(fù)載已滿(mǎn)，則將請(qǐng)求分配給連接數(shù)最小的RS，并將該RS做為下一次分配的首選RS
• LBLCR帶復(fù)制的基于地址的最小連接數(shù)調(diào)度算法：與LBLC不同的是，該算法維護(hù)的是從同一個(gè)目的IP地址到一組RS的映射，請(qǐng)求的RS會(huì)從該組RS中選擇得出

常用服務(wù)	調(diào)度算法
Web、mali、MySQL	RR、WLC、WRR
web cache、DB cache	LBLC、LBLCR
防火墻集群	SH、DH

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的青蛙学Linux—高性能负载均衡集群软件LVS的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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