作为开发，你应该了解的负载均衡LVS知识

简介

LVS是Linux virtual server的缩写，是一个高可用性、高性能的虚拟服务器集群系统。主要针对高可伸缩、高可用网络服务的需求，给出了基于IP层和基于内容请求分发的负载平衡调度解决方法，并在Linux内核中实现了这些方法，将一组服务器构成一个实现可伸缩的、高可用网络服务的虚拟服务器。

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。

LVS 常常和 keepalive 配合，来作为服务的4层（ISO七层协议的传输层）的负载均衡器使用，本文整理了lvs的一些原理性知识，来更好的理解和使用lvs。如何配置以及keepalive的知识，大家可参考lvs官网或其他资料。

结构组成

LVS集群架构：

负载调度器（load balancer/ Director），它是整个集群对外面的前端机，负责将客户的请求发送到一组后端服务器上执行，而客户端则认为返回来是同一个IP(通常把这个IP成为虚拟ip或VIP)
服务器池（server pool/ Realserver），是一组真正执行客户请求的服务器，执行的服务一般有WEB、MAIL、FTP和DNS等。
共享存储（shared storage），它为服务器池提供一个共享的存储区，这样很容易使得服务器池拥有相同的内容，提供相同的服务。

LVS软件组成：

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。
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)。

LVS 基本工作原理

1.当用户向负载均衡调度器（VS或者叫LB）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。

四种负载均衡模式

LVS 的负责均衡有四种常用模式，分别为DR模式、NAT模式、TUN模式、FULLNAT模式。

NAT 模式

VS/NAT是一种最简单的方式，所有的RealServer只需要将自己的网关指向Director即可。客户端可以是任意操作系统，但此方式下，一个Director能够带动的RealServer比较有限。在VS/NAT的方式下，Director也可以兼为一台RealServer。

工作流程用户请求LVS到达director，director将请求的报文的目的IP有VIP改为RIP，同时将报文的目标端口也改为realserver的相应端口，最后将报文发送到realserver上，realserver将通过网关路由到director，将数据返回给director，director在相应客户端之前，把数据包的源ip有RIP改为VIP，然后响应用户，将数据发送给用户。

特点

NAT模式修改的是目的ip，可根据目的ip找到realserver，所以VIP和RIP不需要在同一个网段内。
NAT的包的进出都需要经过LVS，所以LVS可能会成为一个系统的瓶颈问题。

FULLNAT 模式

FULLNAT模式和NAT相似，只是数据包在过lvs时，不只修改目的ip，源ip也一块修改了。

特点

FULLNAT模式也不需要DIP和RIP在同一网段。
FULLNAT和NAT相比的话：会保证RS的回包一定可到达LVS。
FULLNAT需要更新源IP，所以性能正常比NAT模式下降10%。

DR 模式

VS/DR方式是通过改写请求报文中的MAC地址部分来实现的。Director和RealServer必需在统一个局域网内（相同机房）。 RealServer上绑定的VIP配置在各自Non-ARP的网络设备上(如lo或tunl),Director的VIP地址对外可见，而RealServer的VIP对外是不可见的。RealServer的ip可谓内网IP, 也可为公网IP。

工作流程用户请求LVS到达director，director将请求的报文的目的MAC地址改为后端的realserver的MAC地址，目的IP为VIP(不变)，源IP为client IP地址(不变)，然后director通过ARP广播将报文发送到realserver，realserver检测到目的地址为自己本地的VIP，如果在同一网段，将请求直接返回给用户，如果用户跟realserver不在同一个网段，则需要通过网关返回给用户。

特点

RS跟Director Server必须有一个网卡在同一个物理网络中
所有的请求报文经由Director Server，但响应报文不经过Director Server
所有的real server机器上必须配置VIP地址（通常绑定lo）

TUN 模式

IP隧道（IP tunneling）是将一个IP报文封装在另一个IP报文的技术，这可以使得目标为一个IP地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP地址。IP隧道技术亦称为IP封装技术（IP encapsulation）。IP隧道主要用于移动主机和虚拟私有网络（Virtual Private Network），在其中隧道都是静态建立的，隧道一端有一个IP地址，另一端也有唯一的IP地址。

工作流程用户请求LVS到达director，director通过IP-TUN加密技术将请求报文的包封装到一个新的IP包里面，目的IP为VIP(不变)，然后director将报文发送到realserver，realserver基于IP-TUN解密，然后解析出来包的目的为VIP，检测网卡是否绑定了VIP，绑定了就处理这个包，如果在同一个网段，将请求直接返回给用户，否则通过网关返回给用户；如果没有绑定VIP就直接丢掉这个包。

特点

TUNNEL必须在所有的realserver上绑定VIP
realserver直接把包发给client
隧道模式运维起来会比较难，所以一般不用
不支持端口映射
RIP、VIP、DIP全是公网地址

四种模式比较

是否需要VIP和realserver在同一网段 DR模式因为只修改包的MAC地址，需要通过ARP广播找到realserver，所以VIP和realserver必须在同一个网段，也就是说DR模式需要先确认这个IP是否只能挂在这个LVS下面；其他模式因为都会修改目的地址为realserver的IP地址，所以不需要在同一个网段内
是否需要在realserver上绑定VIP realserver在收到包之后会判断目的地址是否是自己的IP DR模式的目的地址没有修改，还是VIP，所以需要在realserver上绑定VIP IP TUN模式值是对包重新包装了一层，realserver解析后的包的IP仍然是VIP，所以也需要在realserver上绑定VIP
四种模式的性能比较 DR模式、IP TUN模式都是在包进入的时候经过LVS，在包返回的时候直接返回给client；所以二者的性能比NAT高，但TUN模式更加复杂，所以性能不如DR 。FULLNAT模式不仅更换目的IP还更换了源IP，所以性能比NAT下降10% 。

性能比较大致：DR>TUN>NAT>FULLNAT

十种负载均衡算法

静态方法

仅根据算法本省进行调度：

轮叫调度 rr

均等地对待每一台服务器，不管服务器上的实际连接数和系统负载

加权轮叫 wrr

调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态调整权值

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。

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。

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=value 较小的RS将被调度。

最少链接 lc

动态地将网络请求调度到已建立的连接数最少的服务器上如果集群真实的服务器具有相近的系统性能，采用该算法可以较好的实现负载均衡

加权最少链接 wlc

调度器可以自动问询真实服务器的负载情况，并动态调整权值带权重的谁不干活就给谁分配，机器配置好的权重高

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

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。

最少期望延迟 sed

不考虑非活动链接，谁的权重大，优先选择权重大的服务器来接收请求，但权重大的机器会比较忙

永不排队 nq

无需队列，如果有realserver的连接数为0就直接分配过去

参考

http://www.yulongjun.com/lb/20170817-01-lvs-introduction/
https://blog.csdn.net/lcl_xiaowugui/article/details/81701949
https://yq.aliyun.com/articles/87257
https://yq.aliyun.com/articles/53735