LVS的四種模式和十種調度算法簡介

LVS的四種模型和十種調度算法

LVS簡介

LVS：Linux Virtual Server，負載調度器，內核集成，章文嵩（花名 正明）

LVS的工作原理

VS根據請求報文的目標IP和目標協議及端口將其調度轉發至某RS，根據調度算法來挑選RS

LVS集群類型的專業術語

VS：Virtual Server 虛擬的服務器

RS：Real Server(lvs) 真正提供服務的服務器
CIP：Client IP 客戶端的IP

VIP: Virtual serve IP LVS服務器針對互聯網的客戶端設置的IP，是虛擬IP

DIP: Director IP 局域網內LVS服務器設置的IP
RIP: Real server IP 真實服務器的IP

LVS服務器，客戶端訪問流程圖

LVS-NAT模式

本質是多目標IP的DNAT，通過將請求報文中的目標地址和目標端口修改為某挑出的RS的RIP和PORT實現轉發

（1）RIP和DIP應在同一個IP網絡，且應使用私網地址；RS的網關要指向DIP

（2）請求報文和響應報文都必須經由Director轉發，Director易于成為系統瓶頸

（3）支持端口映射，可修改請求報文的目標PORT
（4）VS必須是Linux系統，RS可以是任意OS系統

LVS-NAT的實現邏輯

如上圖所示，客戶端通過路由去訪問LVS對外開放的VIP，當LVS收到請求報文時，會將其攔截下來，通過自身的DIP將請求報文傳給其中的一臺RS服務器（DIP和RIP需要在同一個局域網，同一個網段）。RS服務器收到請求報文后，發送響應報文通過LVS服務器發送給客戶端（相當于怎么來的就怎么回去）。在用戶訪問的過程中，LVS服務器實際上是對VIP進行了地址轉換，轉換成了正式服務器的IP，從而實現互相通訊。

NAT模式IP包調度過程

NAT模式內部的工作原理圖

LVS服務器之所以能實現將發送給自己的數據包轉交給其他主機，是因為LVS是潛伏在鉤子函數INPUT這里，一旦發現有用戶訪問的數據包通過PREROUTING后發送給INPUT，LVS會將其截獲下來，改變目標地址為真實服務器的地址，轉而發給POSTROUTING，從而發送給真實服務器，實現調度轉發的功能。

LVS-NAT模式的優缺點

1、NAT技術將請求的報文和響應的報文都需要通過LVS進行地址改寫，因此網站訪問量比較大的時候LVS負載均衡調度器有比較大的瓶頸，一般要求最多之能10-20臺節點

2、只需要在LVS上配置一個公網IP地址就可以了。（也可以通過iptables規則實現NAT，這樣私網地址也可以的）

3、每臺內部的節點服務器的網關地址必須是調度器LB的內網地址。（如果LVS的DIP和RIP在同一個局域網并且在同一個網段，不需要指定網關）

4、NAT模式支持對IP地址和端口進行轉換。即用戶請求的端口和真實服務器的端口可以不一致

LVS-DR模式（直接路由）

LVS-DR：Direct Routing，直接路由，LVS默認模式,應用最廣泛,通過為請求報文重新封裝一個MAC首部進行轉發，源MAC是DIP所在的接口MAC，目標MAC是某挑選出的RS的RIP所在接口的MAC地址；源IP/PORT，以及目標IP/PORT均保持不變

DR模型，請求報文，和響應報文走的不是同一個路徑，請求報文經過LVS發送給RS，響應報文在回應的時候，不需要原路返回，它可以直接返回給客戶端。

這種模型帶來的最大的好處就是LVS服務i去的壓力變小了。因為只有請求報文需要通過VS服務器發送給RS服務器，而RS服務器的響應報文是直接發送給客戶端的，不需要經過LVS服務器。而且一般請求報文相對響應報文來說要小的多。這樣就使得LVS的服務器的壓力小了很多。

LVS-DR模式圖解

因為RS服務器需要直接將請求報文發送給客戶端，而客戶端訪問的IP是VIP，只有來自VIP的包客戶端才會接收，所以我們需要在RS服務器上也配置VIP。但是這樣的話LVS和RS都有了一樣的IP，這樣就會帶來地址沖突的問題。我們需要解決地址沖突的問題。

我們需要在RS上修改內核參數以限制arp通告及應答級別
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore
/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

DR模型特點：LVS的壓力小，通過改變MAC地址來實現調度轉發，不能映射端口號。

LVS-DR模式數據包流轉的過程

LVS-TUN模式

轉發方式：不修改請求報文的IP首部（源IP為CIP，目標IP為VIP），而在原IP報文之外再封裝一個IP首部（源IP是DIP，目標IP是RIP），將報文發往挑選出的目標RS；RS直接響應給客戶端（源IP是VIP，目標IP是CIP）

(1) DIP, VIP, RIP都應該是公網地址

(2) RS的網關一般不能指向DIP

(3) 請求報文要經由Director，但響應不經由Director

(4) 不支持端口映射

(5) RS的OS須支持隧道功能

LVS-TUN體系結構

LVS-TUN的IP包調度過程

LVS-FULLNAT模式

lvs-fullnat：通過同時修改請求報文的源IP地址和目標IP地址進行轉發
CIP --> DIP
VIP --> RIP

(1) VIP是公網地址，RIP和DIP是私網地址，且通常不在同一IP網絡；因此，RIP的網關一般不會指向DIP

(2) RS收到的請求報文源地址是DIP，因此，只需響應給DIP；但Director還要將其發往Client

(3) 請求和響應報文都經由Director

(4) 支持端口映射

LVS工作模式總結

LVS的十種調度模式

LVS的調度又分為靜態方法和動態方法。

靜態方法

靜態方法：僅根據算法本身進行調度

1、RR：roundrobin，輪詢，即按順序分配請求，即使某個機器性能不好，或者宕機，也會將請求分配給這臺主機

2、WRR：Weighted RR，加權輪詢，跟RR的區別再于它可以通過對每個RS服務器去設置權重，來實現依照服務器性能的優略分配任務，性能好的分配任務多點，性能差的分配任務少點。也會存在RR一樣的缺點

3、SH：Source Hashing，實現session sticky，源IP地址hash；將來自于同一個IP地址的請求始終發往第一次挑中的RS，從而實現會話綁定。

4、DH：Destination Hashing；目標地址哈希，第一次輪詢調度至RS，后續將發往同一個目標地址的請求始終轉發至第一次挑中的RS，典型使用場景是正向代理緩存場景中的負載均衡，如：寬帶運營商。

動態方法

動態方法：主要根據每RS當前的負載狀態及調度算法進行調度Overhead=value較小的RS將被調度

1、LC：least connections 適用于長連接應用
Overhead=activeconns*256+inactiveconns

2、WLC：Weighted LC，默認調度方法

Overhead=(activeconns*256+inactiveconns)/weight

3、SED：Shortest Expection Delay,初始連接高權重優先
Overhead=(activeconns+1)*256/weight

4、NQ：Never Queue，第一輪均勻分配，后續SED

5、LBLC：Locality-Based LC，動態的DH算法，使用場景：根據負載狀態實現正向代理

6、LBLCR：LBLC with Replication，帶復制功能的LBLC，解決LBLC負載不均衡

問題，從負載重的復制到負載輕的RS

Overhead 表示優先級、

activeconns 正處于連接的數量

inactiveconns 非活動連接的數量

weight 權重

LVS的優缺點

優點：

Lvs屬于內核級的功能，它的并發量是相當大的，能達到幾百萬的并發

缺點：
沒有所謂的高可用功能，不能檢查后端服務器的健康性，（后端服務器宕機了，lvs是沒有辦法去管理的）