lvs简介

Linux 虚拟服务器(Linux Virtual Servers,LVS) 使用负载均衡技术将多台服务器组成一个虚拟服务器。它为适应快速增长的网络访问需求提供了一个负载能力易于扩展，而价格低廉的解决方案。
名词说明

单词 说明
LB 负载均衡器
VIP 负载均衡器IP地址，作为访问入口
CIP 客户端IP
RIP 真实服务器地址
RS 真实服务器

LVS结构与工作原理

1、LVS的结构

虚拟服务器的体系结构如图所示，一组服务器通过局域网或广域网相连接，前端有一个负载调度器(Load Balancer),
负载均衡器将网络请求调度至真实服务器 (Real Server RS)群 上，LVS这种结构对用户来说是透明的，用户访问只能看到一台作为LB的虚拟服务器 (virtual server VS), 当用户请求发往RS， LB根据设定的包转发策略和负载均衡调度算法在转发给RS， RS最终在将用户请求的结果返回。
LVS快速入手 - 图1

2、LVS内核模型

首先lvs是基于tcp四层传输层协议，它根据请求报文的目标IP和PORT将其转发至后端主机集群中的某一台主机(根据挑选算法)

  1. 当客户端的请求到达 LB 的内核空间时，首先会到达 PREROUTING链
  2. 当内核发现请求数据包的 目的地址是本机 时， 将数据包送往 INPUT链
  3. LVS由 用户空间的 ipvsadm 和 内核空间的IPVS 组成， ipvsadm 用来定义规则， IPVS利用ipvsadm定义的规则工作， IPVS工作在INPUT链， 当数据包到达INPUT链时， 首先会被IPVS检查， 如果数据包里的 DIP和端口没有在规则里面，那么这条数据包将会放行至用户空间
  4. 如果数据包 DIP及端口在规则里， 那么该数据报文将被修改目的地址为事先定义好的后端服务器 ( RS )，并送往POSTROUTING 链
  5. 最后经由 POSTROUTING链 发往后端服务器

LVS快速入手 - 图2

3、LVS包转发模型

3.1、NAT模型

3.1.1、NAT工作原理

  1. client 将请求发往最前端的 LB， 请求报文源地址是 CIP，目标地址为 VIP
  2. LB收到报文后，发现请求的是规则里面存在的地址，它将客户端请求报文的目标地址改为了后端服务器的 RIP 并将报文根据算法发送出去
  3. 报文送到 RS 后， 由于报文地址是自己，所以会响应该请求，并将响应报文还给LVS
  4. 最后LVS 将此报文的源地址修改为本机(vip) 并发送给客户端， 注： 在NAT模式中，RS网关必须指向LVS，否则报文无法送到客户端

LVS快速入手 - 图3

3.1.2、特性

  1. 请求和响应的报文都得经过 Director ，在高负载场景中， Director 很可能成为性能瓶颈
  2. RS和DIP应该使用私网地址，且RS的网关必须指向DIP；
  3. RS的RIP和Directory的DIP必须在同一IP网络；
  4. RS可以使用任意OS；

  5. 支持端口映射

    3.2、DR模型

    3.2.1、DR工作原理

  6. client 将请求发往最前端的 LB， 请求报文源地址是 CIP，目标地址为 VIP

  7. LB 收到报文后， 发现请求的是规则里面存在的地址， 那么它将客户端请求报文的源MAC地址改成自己DIP的MAC地址， 目标MAC改为了RIP的MAC地址，并将此包发送给RS
  8. RS 发现请求报文中的目的MAC是自己， 就会将该报文接收下来，处理完请求报文后，将响应请求通过lo接口 送给eth0网卡 直接发送给客户端， 注： 需要设置lo接口的VIP不能响应本地网络内的arp请求， 使用最多还是这种， NAT调度器模型会有性能瓶颈

LVS快速入手 - 图4

3.2.2、特性

  1. RS 可以使用私有地址，还可以使用公网地址，此时可以直接通过互联网连入 RS ，以实现配置、监控等
  2. RS 的网关一定不能指向 DIP
  3. RS 跟 Dirctory 要在同一物理网络内（不能有路由器分隔） dip 跟 rip 最好在同一网络内
  4. 请求报文经过 Directory ，但响应报文一定不经过 Director

  5. 不支持端口映射

    3.3、TUN模型

  6. client 将请求发往最前端的 LB， 请求报文源地址是 CIP，目标地址为 VIP

  7. LB 收到报文后， 发现请求的是规则里面存在的地址，那么它将在客户端请求报文的首部再封装一层IP报文, 将源地址改为 DIP，目标地址改为 RIP， 并将此包发送给RS
  8. RS收到请求报文后，会首先拆开第一层封装，然后发现里面还有一层IP首部的目标地址是自己lo接口上的vip，所以会处理此次请求报文，并将响应报文通过lo接口送给eth0网卡 直接发送给客户端。 注： 需要设置lo接口的VIP不能在公网上出现

    4、LVS调度算法

    LVS的调度算法分为静态与动态两类

4.1、静态算法(4种)

只根据算法进行调度 而不考虑后端服务器的实际连接情况和负载情况

  1. RR： 轮询调度（Round Robin）
    调度器通过 “轮叫” 算法将外部请求按顺序轮流分配到集群中的RS上， 它均等对待每一台服务器，而不会考虑服务器的实际连接数及系统负载。
  2. WRR： 加权轮询 （Weight RR）
    调度器通过 “加权轮叫” 算法根据RS的不同处理能力来调度访问请求， 调度器可以自动问询RS的负载情况并动态调整其权值， 注：需要根据服务性能来手动控制其权重。
  3. DH： 目标地址散列调度 （Desination Hash）
    根据请求的目标IP地址， 作为散列键 从 静态分配的散列表找出对应服务器， 若该服务器是可用的且未超载， 则将请求发送到该服务器，否则返回空。

  4. SH： 源地址hash
    “源地址散列” 算法根据请求的源IP地址， 作为散列键 从 静态分配的散列表找出对应服务器， 若该服务器是可用的且未超载， 则将请求发送到该服务器，否则返回空。

    4.2、动态算法(6种)

    前端的调度器根据后端RS的实际连接情况来进行动态分配请求

  5. LC： 最少连接（Least Connections）
    调度器通过 “最少连接” 调度算法 将网络请求调度到已建立链接数最少的服务器上，如果集群系统的RS具有相近的系统性能，采用 “最少连接” 算法可以较好的负载均衡

  6. WLC： 加权最少连接(默认采用的就是这种) （Weighted Least Connections）
    在集群系统中的服务器性能差异较大的情况下， 调度器采用 “加权最少连接” 调度算法 优化负载均衡性能，具有较高权值的服务器将随较大比例的活动连接负载， 调度器可以自动问询真实服务器的负载情况 并动态地调整其权值
  7. SED：最短延迟调度（Shortest Expected Delay ）
    在WLC基础上改进， Overhead = (ACTIVE +1) 256/加权, 不在考虑非活动状态, 把当前处于*活动状态的数目+1来实现，数目最小的接受下次请求， +1的目的是为了考虑加权的时候，非活动连接过多缺陷，当权限过大的时候，会倒置空闲服务器一直处于无连接状态
  8. NQ： 永不排队/最少队列调度（Never Queue Scheduling NQ）
  9. LBLC：基于局部性的最少链接（locality-Based Least Connections）

  10. LBLCR：带复制的基于局部性最少连接（Locality-Based Least Connections with Replication）

    5、LVS

    5.1、LVS组件

    1. # 安装：  ~]# yum -y install ipvsadm
    2. ipvsadm (定义集群服务写规则) /ipvs (工作于内核中INPUT链)
    3. ipvsadm: 用户空间的命令行工具，用于管理集群服务(增删查改)
    4. ipvs: 工作于内核中 netfilter INPUT 钩子上：

    5.1.1、ipvsadm用法

  11. 管理集群服务

    管理集群服务
ipvsadm -A|E -t|u|f service-address [-s scheduler]   
ipvsadm -D -t|u|f service-address
-A: 添加一个集群服务
-t ： tcp
-u ： udp
-f ： firewall make 通常应用于将两个或以上的服务绑定为一个服务进行处理时使用
service-address
tcp： -t ip:port
udp:  -u ip:port
fwm:  -f mark   防火墙标记
-s scheduler
默认为wlc
如 添加：  ~]# ipvsadm -A -t VIP地址:端口 -s rr
删除： ~]# ipvsadm -D -t VIP地址:端口

  12. 管理集群服务中的RS

    管理集群服务中的RS
ipvsadm -a|e -t|u|f service-address -r server-address
ipvsadm -d -t|u|f service-address -r server-address
server-address：      ip[:port]   端口一般可省略
lvs-type:
-g: gateway, dr
-i：ipip, tun
-m: masquerade, net
添加： ~]# ipvsadm -a -t vip地址:端口号 -r 真实地址:端口 -m
删除:  ~]# ipvsadm -d -t VIP地址:端口 -r 192.168.9.32:80

  13. 通用查看命令

    ipvsadm -C                           清空所有
ipvsadm -L|l [options]               查看
-n: numeric， 基于数字格式显示地址和端口：
-c: connection, 显示连接
--stats: 统计数据
--rate： 速率
--sort: 排序
--exact:  显示精确值
ipvsadm -R                           重载
ipvsadm -S [-n]                      保存
ipvsadm -Z [-t|u|f service-address]  置零记数器

    5.2、lvs-nat配置

    LVS快速入手 - 图5
    LVS配置

    echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward #开启LVS服务器的IP路由转发功能
# 添加虚拟地址
~]# ifconfig ens160:1 192.168.9.111 netmask 255.255.255.0
~]# ip addr 
2: ens160: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc mq state UP qlen 1000
 inet 192.168.9.224/24 brd 192.168.9.255 scope global ens160
    valid_lft forever preferred_lft forever
 inet 192.168.9.111/24 brd 192.168.9.255 scope global secondary ens160:1
~]# ipvsadm -a -t 192.168.9.111:999 -r 192.168.9.31:80 -m
~]# ipvsadm -a -t 192.168.9.111:999 -r 192.168.9.32:80 -m
# 查看地址
~]# ipvsadm -L -n 
 IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
 Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
   -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
 TCP  192.168.9.111:999 rr
   -> 192.168.9.31:80              Masq    1      0          0         
   -> 192.168.9.32:80              Masq    1      0          0

    RS配置

    # 必须将网关地址指向DIP
# 启动服务即可， systemctl restart nginx

    测试

    ~]# for i in {1..10};do curl http://192.168.9.111:999;sleep 2;done
 192.168.9.32
 192.168.9.31
 192.168.9.32
 192.168.9.31
 ....
~]# ipvsadm
 IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
 Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
   -> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
 TCP  192.168.9.111:garcon rr
   -> 192.168.9.31:http            Masq    1      0          15        
   -> 192.168.9.32:http            Masq    1      0          15

    5.3、lvs-dr配置

    重要参数

    两个内核参数
 /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/
 /proc/sys/net/ipv4/conf/all/
arp_annonce (通告)
 0 ： 通告所有的地址
 1 ： 尽量避免向本网段地址通告
 2 ： 总是用最佳本地地址通告
arp_ignore
 0   : 通告所有
 1   : 请求报文是从哪接口进入，从哪个接口响应

    LVS快速入手 - 图6
    LVS配置

    # 配置虚拟地址，广播地址设置为自己
~]# ifconfig ens160:1 192.168.9.111 broadcast 192.168.9.111 netmask 255.255.255.0 up
~]# ifconfig ens160:1
ens160:1: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
     inet 192.168.9.111  netmask 255.255.255.255  broadcast 192.168.9.111
# 添加路由
~]# ip route add 192.168.9.111 dev ens160:1
~]# ip route show
 192.168.9.111 dev ens160  scope link 
~]# ipvsadm -A -t 192.168.9.111:999 -s rr   # 测试使用轮询查看效果
~]# ipvsadm -a -t 192.168.9.111:999 -r 192.168.9.31 -g  
~]# ipvsadm -a -t 192.168.9.111:999 -r 192.168.9.32 -g  
# 需要注意的是 不支持端口映射， 写了端口也会跟vip端口一样
~]# ipvsadm
IP Virtual Server version 1.2.1 (size=4096)
Prot LocalAddress:Port Scheduler Flags
-> RemoteAddress:Port           Forward Weight ActiveConn InActConn
TCP  192.168.9.111:garcon rr
-> 192.168.9.31:garcon          Route   1      0          0         
-> 192.168.9.32:garcon          Route   1      0          0

    LVS-DR 后端服务器配置

    ~]# ifconfig lo:0 192.168.9.111 netmask 255.255.255.255 broadcast  192.168.9.111 up  # 配置回环地址
~]#  ifconfig  # 查看 
# lo:0: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
#         inet 192.168.9.111  netmask 255.255.255.255
#          loop  txqueuelen 1000  (Local Loopback)
~]# route add -host 192.168.9.111 dev lo:0   # 添加路由 
~]# ip route   # 查看路由
# 通告
 echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore
 echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce
 echo "1" > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
 echo "2" > /proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

    参考文档：
    LVS原理详解： http://www.178linux.com/13570
    Linux服务器集群系统： http://linux-vs.org/zh/lvs1.html
    LVS(NAT和DR)模式详细配置: https://www.jianshu.com/p/2ed85a5204cc
    CentOS 7 网络配置详解： https://blog.51cto.com/simonhu/1588971