LVS负载均衡群集

1.集群

• Cluster，集群、群集
• 由多台主机构成，但对外只表现为一一个整体，只提供一-个访问入口(域名或IP地址)， 相当于一台大型计算机。

1.1集群的优势

• 提高性能：计算密集应用。如天气预报，核试验模拟。
• 降低成本：相对百万美元的超级计算机，价格便宜。
• 提高可扩展性：只要增加集群节点即可。
• 增强可靠性：多个节点完成相同功能，避免单点失败。

2.企业群集分类

根据群集所针对的目标差异，可分为三种类型：

• 负载均衡群集
• 高可用群集
• 高性能运算群集

2.1负载均衡群集（Load Balance Cluster）

• LB： Load Balancing，负载均衡，多个主机组成，每个主机只承担一部分访问请求

• 提高应用系统的响应能力、尽可能处理更多的访问请求、减少延迟为目标，获得高并发、负载(LB)的整体性能；

• LB的负载分配依赖于主节点的分流算法，将来自客户机的访问请求分担给多个服务器节点，从而缓解整个系统的负载压力。例如，“DNS轮询”、“反向代理” 等。

2.2 高可用群集（High Availability Cluster）

• HA： High Availiablity，高可用，避免 SPOF（single Point Of failure） 单点故障

• 提高应用系统的可靠性、尽可能地减少中断时间为目标，确保服务的连续性，达到高可用(HA) 的容错效果。

• HA的工作方式包括双工和主从两种模式，双工即所有节点同时在线；主从则只有主节点在线，但当出现故障时从节点能自动切换为主节点。例如，“故障切换” 、“双机热备” 等。

2.3 高性能运算群集（High Performance Computer Cluster）

• HPC： High-performance computing，高性能

• 以提高应用系统的CPU运算速度、扩展硬件资源和分析能力为目标，获得相当于大型、超级计算机的高性能运算（HPC）能力。

• 高性能依赖于"分布式运算”、 “并行计算”，通过专用硬件和软件将多个服务器的CPU、内存等资源整合在一起，实现只有大型、超级计算机才具备的计算能力。例如，'云计算”、 “网格计算”等。

3.负载均衡群集的工作模式

群集的负载调度技术有三种工作模式：

• 1、地址转换（NAT模式）
• 2、IP隧道（IP-TUN）
• 3、直接路由（DR模式）

通常使用 NAT和DR，使用最多的是DR模式。

3.1NAT模式（地址转换）

地址转换

• Network Address Translation，简称NAT模式
• 类似于防火墙的私有网络结构，负载调度器作为所有服务器节点的网关，即作为客户机 的访问入口，也是各节点回应客户机的访问出口。
• 服务器节点使用私有IP地址，与负载调度器位于同一个物理网络，安全性要优于其他两 种方式。
• 缺点：由于NAT的负载均衡器既作为用户的访问请求入口，也作为节点服务器响应请求的出口，承载两个方向的压力，调度器的性能会成为整个集群的瓶颈。

3.1.1NAT模式流程

1 当客户端 发起请求报文是：

源ip：客户端的ip地址（cip）

目的地址： vip（代理服务器的外网地址）

2.当数据包到达我们的 代理服务器 源ip不变， 需要修改目的ip及端口号

源ip：客户端的ip地址（cip）

目的地址： rip （后端真实服务器ip）

3 .真实服务器 收到报文后 构建响应报文

源ip：改成真实服务器自己的ip（vip 是内网地址）

目的地址： cip 外网客户端地址

4.再发给代理服务器， 代理服务会修改 源ip 将内网地址 改成外网地址

源ip：代理服务器的 外网ip （vip）

目的地址： cip （外网客户端的地址）

lvs-nat：本质是多目标IP的DNAT，通过将请求报文中的目标地址和目标端口修改为某处的RS的RIP和PORT实现转发

（1）RIP（真实服务器）和DIP（代理服务器的内网地址）应在同一个IP网络，且应使用私网地址；RS的网关要指向DIP

（2）请求报文和响应报文都必须经由lvs服务器转发，lvs服务器易于成为系统瓶颈

（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OS系统

3.2 TUN模式（IP隧道）

IP Tunnel ，简称TUN模式。

采用开放式的网络结构，负载调度器仅作为客户机的访问入口，各节点通过各自的Internet连接直接回应客户机，而不再经过负载调度器。承载的压力比NAT小。

服务器节点分散在互联网中的不同位置，具有独立的公网IP地址，通过专用IP隧道与负载调度器相互通信。

缺点：成本很高。

这种模式一般应用于特殊场景，比如将节点服务器分布在全国各地，防止被物理攻击（如地震、战争等），做灾备。

3.2.1TUN模式流程

3.3DR模式（直接路由）

直接路由：

• Direct Routing，简称DR模式。
• 采用半开放式的网络结构，与TUN模式的结构类似，负载调度器仅作为客户机的访问入口，各节点通过各自的Internet连接直接回应客户机，而不再经过负载调度器。承载的压力比NAT小。
• 但各节点并不是分散在各地，而是与调度器位于同一个物理网络。
• 负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的IP隧道。

3.3.1DR模式流程

直接路由（Direct Routing）：简称 DR 模式，采用半开放式的网络结构，与 TUN

模式的结构类似，但各节点并不是分散在各地，而是与调度器位于同一个物理网络。

负载调度器与各节点服务器通过本地网络连接，不需要建立专用的 IP 隧道

直接路由，LVS默认模式,应用最广泛,通过请求报文重新封装一个MAC首部

进行转发，源MAC是DIP所在的接口的MAC，目标MAC是某挑选出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源

IP/PORT，以及目标IP/PORT均保持不变

3.4 LVS工作模式总结和比较

	NAT	TUN	DR
优点	端口转换	WAN	性能最好
缺点	性能瓶颈	服务器支持隧道模式	不支持跨网段
真实服务器要求	any	Tunneling	Non-arp device
支持网络	private（私网）	LAN/WAN（私网/公网）	LAN（私网）
真实服务器数量	low (10~20)	High (100)	High (100)
真实服务器网关	lvs内网地址	Own router（网工定义）	Own router（网工定义）

3.5LVS调度算法

ipvs scheduler：根据其调度时是否考虑各RS当前的负载状态

分为两种：

静态方法： 不管后端真实服务器的 状态，根据自身 算法进行调度

动态方法： 会根据后端服务器的状态来进行调度

仅根据算法本身进行调度

静态：

1、RR：roundrobin，轮询,较常用

2、WRR：Weighted RR，加权轮询,较常用 先算总权重 再用自己的 权重去除以 总权重

3、SH：Source Hashing，实现session sticky，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

4、DH：Destination Hashing；目标地址哈希，第一次轮询调度至RS，后续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,如: Web缓存 缓存

动态： 一个参考值 来确定服务器是否忙 这个值越小 代表服务器 闲 就会优先调度给闲的服务器

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

1、LC：least connections 适用于长连接应用 最小连接数 不考虑权重

2、WLC：Weighted LC，默认调度方法,较常用 默认调度 加权最小连接数 第一轮不合理 都是 一样的 优先级

3、SED：Shortest Expection Delay，初始连接高权重优先,只检查活动连接,而不考虑非活动连接 权重小的 空闲的

4、NQ：Never Queue，第一轮均匀分配，后续SED

5、LBLC：Locality-Based LC，动态的DH算法，使用场景：根据负载状态实现正向代理,实现Web Cache等 检查 后端服务器忙不忙

6、LBLCR：LBLC with Replication，带复制功能的LBLC，解决LBLC负载不均衡问题，从负载重的复制到负载轻的RS,,实现Web Cache等

LVS调度算法文件存储位置 ：/usr/lib/modules/3.10.0-693.el7.x86_64/kernel/net/netfilter/ipvs/

modprobe ip_vs     //手动加载 ip_vs 模块
cat /proc/net/ip_vs    //查看当前系统中ip_vs模块的版本信息

4.LVS调度工具 ipvsadm

4.1ipvsadm工具的作用

• 创建虚拟服务器
• 添加、删除服务器节点
• 查看群集及节点情况
• 保存负载分配策略

4.2ipvsadm 命令选项说明

选项	功能
-A	添加虚拟服务器
-D	删除整个虚拟服务器
-s	指定负载调度算法(轮询: rr、加权轮询: wrr、 最少连接: lc、 加权最少连接: wlc)
-a	表示添加真实服务器(节点服务器)
-t	指定VIP地址及TCP端口 （调度器使用）
-r	指定RIP地址及TCP端口 （节点服务器使用）
-m	表示使用NAT群集模式
-g	表示使用DR模式
-i	表示使用TUN模式
-w	设置权重（权重为0时表示暂停节点） ，默认值为1
-p 60	表示保持长连接60秒。默认值就是60秒。
-l	列表查看LVS虚拟服务器（默认为查看所有）
-n	以数字形式显示地址、端口等信息，常与“-l”选项组合使用。-l需要在-n之前。ipvsadm -ln