1、什么是LVS？

首先簡(jiǎn)單介紹一下LVS (Linux Virtual Server)到底是什么東西，其實(shí)它是一種集群(Cluster)技術(shù)，采用IP負(fù)載均衡技術(shù)和基于內(nèi)容請(qǐng)求分發(fā)技術(shù)。調(diào)度器具有很好的吞吐率，將請(qǐng)求均衡地轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器上執(zhí)行，且調(diào)度器自動(dòng)屏蔽掉服務(wù)器的故障，從而將一組服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)高性能的、高可用的虛擬服務(wù)器。整個(gè)服務(wù)器集群的結(jié)構(gòu)對(duì)客戶是透明的，而且無(wú)需修改客戶端和服務(wù)器端的程序。

為此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)的透明性、可伸縮性、高可用性和易管理性。一般來(lái)說(shuō)，LVS集

群采用三層結(jié)構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)如圖所示：

LVS集群的體系結(jié)構(gòu)

 2、LVS主要組成部分為：

負(fù)載調(diào)度器（load balancer/ Director），它是整個(gè)集群對(duì)外面的前端機(jī)，負(fù)責(zé)將客戶的請(qǐng)求發(fā)送到一組服務(wù)器上執(zhí)行，而客戶認(rèn)為服務(wù)是來(lái)自一個(gè)IP地址（我們可稱(chēng)之為虛擬IP地址）上的。

服務(wù)器池（server pool/ Realserver），是一組真正執(zhí)行客戶請(qǐng)求的服務(wù)器，執(zhí)行的服務(wù)一般有WEB、MAIL、FTP和DNS等。

共享存儲(chǔ)（shared storage），它為服務(wù)器池提供一個(gè)共享的存儲(chǔ)區(qū)，這樣很容易使得服務(wù)器池?fù)碛邢嗤膬?nèi)容，提供相同的服務(wù)。

3、LVS負(fù)載均衡方式:

◆Virtual Server via Network Address Translation NAT（VS/NAT）

VS/NAT是一種最簡(jiǎn)單的方式，所有的RealServer只需要將自己的網(wǎng)關(guān)指向Director即可。客戶端可以是任意操作系統(tǒng)，但此方式下，一個(gè)Director能夠帶動(dòng)的RealServer比較有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼為一臺(tái)RealServer。VS/NAT的體系結(jié)構(gòu)如圖所示。

VS/NAT的體系結(jié)構(gòu)

◆Virtual Server via IP Tunneling(VS/TUN)

IP隧道（IP tunneling）是將一個(gè)IP報(bào)文封裝在另一個(gè)IP報(bào)文的技術(shù)，這可以使得目標(biāo)為一個(gè)IP地址的數(shù)據(jù)報(bào)文能被封裝和轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)IP地址。IP隧道技術(shù)亦稱(chēng)為IP封裝技術(shù)（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移動(dòng)主機(jī)和虛擬私有網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network），在其中隧道都是靜態(tài)建立的，隧道一端有一個(gè)IP地址，另一端也有唯一的IP地址。它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT中的一樣，只是它的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法不同。調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器，將請(qǐng)求報(bào)文封裝在另一個(gè)IP報(bào)文中，再將封裝后的IP報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給選出的服務(wù)器；服務(wù)器收到報(bào)文后，先將報(bào)文解封獲得原來(lái)目標(biāo)地址為 VIP 的報(bào)文，服務(wù)器發(fā)現(xiàn)VIP地址被配置在本地的IP隧道設(shè)備上，所以就處理這個(gè)請(qǐng)求，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)文直接返回給客戶。

 VS/TUN的體系結(jié)構(gòu)

VS/TUN的工作流程：
 

◆Virtual Server via Direct Routing(VS/DR)

VS/DR方式是通過(guò)改寫(xiě)請(qǐng)求報(bào)文中的MAC地址部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Director和RealServer必需在物理上有一個(gè)網(wǎng)卡通過(guò)不間斷的局域網(wǎng)相連。 RealServer上綁定的VIP配置在各自Non-ARP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上(如lo或tunl),Director的VIP地址對(duì)外可見(jiàn)，而RealServer的VIP對(duì)外是不可見(jiàn)的。RealServer的地址即可以是內(nèi)部地址，也可以是真實(shí)地址。

 VS/DR的體系結(jié)構(gòu)

VS/DR的工作流程

VS/DR的工作流程如圖所示：它的連接調(diào)度和管理與VS/NAT和VS/TUN中的一樣，它的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方法又有不同，將報(bào)文直接路由給目標(biāo)服務(wù)器。在VS/DR中，調(diào)度器根據(jù)各個(gè)服務(wù)器的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地選擇一臺(tái)服務(wù)器，不修改也不封裝IP報(bào)文，而是將數(shù)據(jù)幀的MAC地址改為選出服務(wù)器的MAC地址，再將修改后的數(shù)據(jù)幀在與服務(wù)器組的局域網(wǎng)上發(fā)送。因?yàn)閿?shù)據(jù)幀的MAC地址是選出的服務(wù)器，所以服務(wù)器肯定可以收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀，從中可以獲得該IP報(bào)文。當(dāng)服務(wù)器發(fā)現(xiàn)報(bào)文的目標(biāo)地址VIP是在本地的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，服務(wù)器處理這個(gè)報(bào)文，然后根據(jù)路由表將響應(yīng)報(bào)文直接返回給客戶。

VS/DR的工作流程

4、三種負(fù)載均衡方式比較：

 ◆Virtual Server via NAT

VS/NAT 的優(yōu)點(diǎn)是服務(wù)器可以運(yùn)行任何支持TCP/IP的操作系統(tǒng)，它只需要一個(gè)IP地址配置在調(diào)度器上，服務(wù)器組可以用私有的IP地址。缺點(diǎn)是它的伸縮能力有限，當(dāng)服務(wù)器結(jié)點(diǎn)數(shù)目升到20時(shí)，調(diào)度器本身有可能成為系統(tǒng)的新瓶頸，因?yàn)樵赩S/NAT中請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文都需要通過(guò)負(fù)載調(diào)度器。我們?cè)赑entium166 處理器的主機(jī)上測(cè)得重寫(xiě)報(bào)文的平均延時(shí)為60us，性能更高的處理器上延時(shí)會(huì)短一些。假設(shè)TCP報(bào)文的平均長(zhǎng)度為536 Bytes，則調(diào)度器的最大吞吐量為8.93 MBytes/s. 我們?cè)偌僭O(shè)每臺(tái)服務(wù)器的吞吐量為800KBytes/s，這樣一個(gè)調(diào)度器可以帶動(dòng)10臺(tái)服務(wù)器。（注：這是很早以前測(cè)得的數(shù)據(jù)）

基于 VS/NAT的的集群系統(tǒng)可以適合許多服務(wù)器的性能要求。如果負(fù)載調(diào)度器成為系統(tǒng)新的瓶頸，可以有三種方法解決這個(gè)問(wèn)題：混合方法、VS/TUN和 VS/DR。在DNS混合集群系統(tǒng)中，有若干個(gè)VS/NAT負(fù)調(diào)度器，每個(gè)負(fù)載調(diào)度器帶自己的服務(wù)器集群，同時(shí)這些負(fù)載調(diào)度器又通過(guò)RR-DNS組成簡(jiǎn)單的域名。

但VS/TUN和VS/DR是提高系統(tǒng)吞吐量的更好方法。

對(duì)于那些將IP地址或者端口號(hào)在報(bào)文數(shù)據(jù)中傳送的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用模塊來(lái)轉(zhuǎn)換報(bào)文數(shù)據(jù)中的IP地址或者端口號(hào)。這會(huì)帶來(lái)實(shí)現(xiàn)的工作量，同時(shí)應(yīng)用模塊檢查報(bào)文的開(kāi)銷(xiāo)會(huì)降低系統(tǒng)的吞吐率。

◆Virtual Server via IP Tunneling

在VS/TUN 的集群系統(tǒng)中，負(fù)載調(diào)度器只將請(qǐng)求調(diào)度到不同的后端服務(wù)器，后端服務(wù)器將應(yīng)答的數(shù)據(jù)直接返回給用戶。這樣，負(fù)載調(diào)度器就可以處理大量的請(qǐng)求，它甚至可以調(diào)度百臺(tái)以上的服務(wù)器（同等規(guī)模的服務(wù)器），而它不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸。即使負(fù)載調(diào)度器只有100Mbps的全雙工網(wǎng)卡，整個(gè)系統(tǒng)的最大吞吐量可超過(guò) 1Gbps。所以，VS/TUN可以極大地增加負(fù)載調(diào)度器調(diào)度的服務(wù)器數(shù)量。VS/TUN調(diào)度器可以調(diào)度上百臺(tái)服務(wù)器，而它本身不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸，可以用來(lái)構(gòu)建高性能的超級(jí)服務(wù)器。VS/TUN技術(shù)對(duì)服務(wù)器有要求，即所有的服務(wù)器必須支持“IP Tunneling”或者“IP Encapsulation”協(xié)議。目前，VS/TUN的后端服務(wù)器主要運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，我們沒(méi)對(duì)其他操作系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)?ldquo;IP Tunneling”正成為各個(gè)操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以VS/TUN應(yīng)該會(huì)適用運(yùn)行其他操作系統(tǒng)的后端服務(wù)器。

◆Virtual Server via Direct Routing

跟VS/TUN方法一樣，VS/DR調(diào)度器只處理客戶到服務(wù)器端的連接，響應(yīng)數(shù)據(jù)可以直接從獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)路由返回給客戶。這可以極大地提高LVS集群系統(tǒng)的伸縮性。跟VS/TUN相比，這種方法沒(méi)有IP隧道的開(kāi)銷(xiāo)，但是要求負(fù)載調(diào)度器與實(shí)際服務(wù)器都有一塊網(wǎng)卡連在同一物理網(wǎng)段上，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（或者設(shè)備別名）不作ARP響應(yīng)，或者能將報(bào)文重定向（Redirect）到本地的Socket端口上。

三種LVS負(fù)載均衡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)歸納以下表：

 注：以上三種方法所能支持最大服務(wù)器數(shù)目的估計(jì)是假設(shè)調(diào)度器使用100M網(wǎng)卡，調(diào)度器的硬件配置與后端服務(wù)器的硬件配置相同，而且是對(duì)一般Web服務(wù)。使 用更高的硬件配置（如千兆網(wǎng)卡和更快的處理器）作為調(diào)度器，調(diào)度器所能調(diào)度的服務(wù)器數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)應(yīng)用不同時(shí)，服務(wù)器的數(shù)目也會(huì)相應(yīng)地改變。所以，以上數(shù)據(jù)估計(jì)主要是為三種方法的伸縮性進(jìn)行量化比較。

5、負(fù)載均衡調(diào)度算法

 ◆最少的連接方式（Least Connection）：傳遞新的連接給那些進(jìn)行最少連接處理的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配, 直到其恢復(fù)正常。

◆最快模式（Fastest）：傳遞連接給那些響應(yīng)最快的服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP 就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

◆觀察模式（Observed）：連接數(shù)目和響應(yīng)時(shí)間以這兩項(xiàng)的最佳平衡為依據(jù)為新的請(qǐng)求選擇服務(wù)器。當(dāng)其中某個(gè)服務(wù)器發(fā)生第二到第7 層的故障，BIG-IP就把其從服務(wù)器隊(duì)列中拿出，不參加下一次的用戶請(qǐng)求的分配，直到其恢復(fù)正常。

◆預(yù)測(cè)模式（Predictive）：BIG-IP利用收集到的服務(wù)器當(dāng)前的性能指標(biāo)，進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，選擇一臺(tái)服務(wù)器在下一個(gè)時(shí)間片內(nèi)，其性能將達(dá)到最佳的服務(wù)器相應(yīng)用戶的請(qǐng)求。(被BIG-IP 進(jìn)行檢測(cè))

◆動(dòng)態(tài)性能分配(Dynamic Ratio-APM):BIG-IP 收集到的應(yīng)用程序和應(yīng)用服務(wù)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整流量分配。

◆動(dòng)態(tài)服務(wù)器補(bǔ)充(Dynamic Server Act.):當(dāng)主服務(wù)器群中因故障導(dǎo)致數(shù)量減少時(shí)，動(dòng)態(tài)地將備份服務(wù)器補(bǔ)充至主服務(wù)器群。

◆服務(wù)質(zhì)量(QoS）:按不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分配。

◆服務(wù)類(lèi)型(ToS): 按不同的服務(wù)類(lèi)型（在Type of Field中標(biāo)識(shí)）負(fù)載均衡對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分配。

◆規(guī)則模式：針對(duì)不同的數(shù)據(jù)流設(shè)置導(dǎo)向規(guī)則，用戶可自行。

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