LVS负载均衡原理

一、LVS基本介绍

LB集群的架构和原理很简单,就是当用户的请求过来时,会直接分发到Director Server上,然后它把用户的请求根据设置好的调度算法,智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了避免不同机器上用户请求得到的数据不一样,需要用到了共享存储,这样保证所有用户请求的数据是一样的。

LVS是 Linux Virtual Server 的简称,也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目,它的官方网站是http://www.linuxvirtualserver.org 现在 LVS 已经是Linux内核标准的一部分。使用LVS可以达到的技术目标是:通过LVS达到的负载均衡技术和Linux操作系统实现一个高性能高可用的Linux服务器集群,它具有良好的可靠性、可扩展性和可操作性。从而以低廉的成本实现最优的性能。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、Server集群层和共享存储。

二、LVS的基本原理

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

三、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)

四、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。

五、LVS/NAT原理

1.理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

(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DirectorServer。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

2.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

六、LVS/DR原理及特点

1.将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址

(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

2.LVS-DR模型的特性

特点1:

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经过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

3. 特点1的解决方案:

在前端路由器做静态地址路由绑定,将对于VIP的地址仅路由到Director Server

存在问题:用户未必有路由操作权限,因为有可能是运营商提供的,所以这个方法未必实用

arptables:在arp的层次上实现在ARP解析时做防火墙规则,过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的

修改RS上内核参数(arp_ignore和arp_announce)将RS上的VIP配置在lo接口的别名上,并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

七、LVS/TUN的原理和特点

1.原有的IP报文外再次封装多一层IP首部,内部IP首部(源地址为CIP,目标IIP为VIP),外层IP首部(源地址为DIP,目标IP为RIP)

(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

2.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

八、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。

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