LVS负载均衡（一）

时间  2019-11-16
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负载均衡集群是 load balance 集群的简写，翻译成中文就是负载均衡集群。经常使用的负载均衡开源软件有nginx、lvs、haproxy，商业的硬件负载均衡设备F五、Netscale。这里主要是学习 LVS 并对其进行了详细的总结记录。前端

负载均衡LVS基本介绍

LB集群的架构和原理很简单，就是当用户的请求过来时，会直接分发到Director Server上，而后它把用户的请求根据设置好的调度算法，智能均衡地分发到后端真正服务器(real server)上。为了不不一样机器上用户请求获得的数据不同，须要用到了共享存储，这样保证全部用户请求的数据是同样的。linux

LVS是 Linux Virtual Server 的简称，也就是Linux虚拟服务器。这是一个由章文嵩博士发起的一个开源项目，它的如今 LVS 已是 Linux 内核标准的一部分。使用 LVS 能够达到的技术目标是：经过 LVS 达到的负载均衡技术和 Linux 操做系统实现一个高性能高可用的 Linux 服务器集群，它具备良好的可靠性、可扩展性和可操做性。从而以低廉的成本实现最优的性能。LVS 是一个实现负载均衡集群的开源软件项目，LVS架构从逻辑上可分为调度层、Server集群层和共享存储。nginx

官方网是 http://www.linuxvirtualserver...web

LVS的基本工做原理

当用户向负载均衡调度器（Director Server）发起请求，调度器将请求发往至内核空间算法

PREROUTING链首先会接收到用户请求，判断目标IP肯定是本机IP，将数据包发往INPUT链vim

IPVS是工做在INPUT链上的，当用户请求到达INPUT时，IPVS会将用户请求和本身已定义好的集群服务进行比对，若是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链后端

POSTROUTING连接收数据包后发现目标IP地址恰好是本身的后端服务器，那么此时经过选路，将数据包最终发送给后端的服务器浏览器

LVS的组成

LVS 由2部分程序组成，包括 ipvs 和 ipvsadm。bash

ipvs(ip virtual server)：一段代码工做在内核空间，叫ipvs，是真正生效实现调度的代码。

ipvsadm：另一段是工做在用户空间，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相关术语

  • DS：Director Server。指的是前端负载均衡器节点。
  • RS：Real Server。后端真实的工做服务器。
  • VIP：向外部直接面向用户请求，做为用户请求的目标的IP地址。
  • DIP：Director Server IP，主要用于和内部主机通信的IP地址。
  • RIP：Real Server IP，后端服务器的IP地址。
  • 6 CIP：Client IP，访问客户端的IP地址。

下边是三种工做模式的原理和特色总结。

LVS/NAT原理和特色

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重点理解NAT方式的实现原理和数据包的改变。

  • (a). 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
  • (b). PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
  • (c). IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，如果，修改数据包的目标IP地址为后端服务器IP，而后将数据包发至POSTROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为RIP
  • (d). POSTROUTING链经过选路，将数据包发送给Real Server
  • (e). Real Server比对发现目标为本身的IP，开始构建响应报文发回给Director Server。 此时报文的源IP为RIP，目标IP为CIP
  • (f). Director Server在响应客户端前，此时会将源IP地址修改成本身的VIP地址，而后响应给客户端。 此时报文的源IP为VIP，目标IP为CIP

LVS-NAT模型的特性

RS应该使用私有地址，RS的网关必须指向DIP

DIP和RIP必须在同一个网段内

请求和响应报文都须要通过Director Server，高负载场景中，Director Server易成为性能瓶颈

支持端口映射

RS可使用任意操做系统

缺陷：对Director Server压力会比较大，请求和响应都需通过director server

LVS/DR原理和特色

重将请求报文的目标MAC地址设定为挑选出的RS的MAC地址

  • (a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP
  • (b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
  • (c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，如果，将请求报文中的源MAC地址修改成DIP的MAC地址，将目标MAC地址修改RIP的MAC地址，而后将数据包发至POSTROUTING链。 此时的源IP和目的IP均未修改，仅修改了源MAC地址为DIP的MAC地址，目标MAC地址为RIP的MAC地址
  • (d) 因为DS和RS在同一个网络中，因此是经过二层来传输。POSTROUTING链检查目标MAC地址为RIP的MAC地址，那么此时数据包将会发至Real Server。
  • (e) RS发现请求报文的MAC地址是本身的MAC地址，就接收此报文。处理完成以后，将响应报文经过lo接口传送给eth0网卡而后向外发出。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
  • (f) 响应报文最终送达至客户端

LVS-DR模型的特性

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特色1：

保证前端路由将目标地址为VIP报文通通发给Director Server，而不是RS

RS可使用私有地址；也能够是公网地址，若是使用公网地址，此时能够经过互联网对RIP进行直接访问

RS跟Director Server必须在同一个物理网络中

全部的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server

不支持地址转换，也不支持端口映射

RS能够是大多数常见的操做系统

RS的网关毫不容许指向DIP(由于咱们不容许他通过director)

RS上的lo接口配置VIP的IP地址

缺陷：RS和DS必须在同一机房中

特色1的解决方案：

在前端路由器作静态地址路由绑定，将对于VIP的地址仅路由到Director Server

存在问题：用户未必有路由操做权限，由于有多是运营商提供的，因此这个方法未必实用

arptables：在arp的层次上实如今ARP解析时作防火墙规则，过滤RS响应ARP请求。这是由iptables提供的

修改RS上内核参数（arp_ignore和arp_announce）将RS上的VIP配置在lo接口的别名上，并限制其不能响应对VIP地址解析请求。

LVS/Tun原理和特色

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在原有的IP报文外再次封装多一层IP首部，内部IP首部(源地址为CIP，目标IIP为VIP)，外层IP首部(源地址为DIP，目标IP为RIP)

  • (a) 当用户请求到达Director Server，此时请求的数据报文会先到内核空间的PREROUTING链。 此时报文的源IP为CIP，目标IP为VIP 。
  • (b) PREROUTING检查发现数据包的目标IP是本机，将数据包送至INPUT链
  • (c) IPVS比对数据包请求的服务是否为集群服务，如果，在请求报文的首部再次封装一层IP报文，封装源IP为为DIP，目标IP为RIP。而后发至POSTROUTING链。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
  • (d) POSTROUTING链根据最新封装的IP报文，将数据包发至RS（由于在外层封装多了一层IP首部，因此能够理解为此时经过隧道传输）。 此时源IP为DIP，目标IP为RIP
  • (e) RS接收到报文后发现是本身的IP地址，就将报文接收下来，拆除掉最外层的IP后，会发现里面还有一层IP首部，并且目标是本身的lo接口VIP，那么此时RS开始处理此请求，处理完成以后，经过lo接口送给eth0网卡，而后向外传递。 此时的源IP地址为VIP，目标IP为CIP
  • (f) 响应报文最终送达至客户端

LVS-Tun模型特性

RIP、VIP、DIP全是公网地址

RS的网关不会也不可能指向DIP

全部的请求报文经由Director Server，但响应报文必须不能进过Director Server

不支持端口映射

RS的系统必须支持隧道

其实企业中最经常使用的是 DR 实现方式，而 NAT 配置上比较简单和方便，后边实践中会总结 DR 和 NAT 具体使用配置过程。

VS的八种调度算法

轮叫调度 rr

这种算法是最简单的，就是按依次循环的方式将请求调度到不一样的服务器上，该算法最大的特色就是简单。轮询算法假设全部的服务器处理请求的能力都是同样的，调度器会将全部的请求平均分配给每一个真实服务器，无论后端 RS 配置和处理能力，很是均衡地分发下去。

加权轮叫 wrr

这种算法比 rr 的算法多了一个权重的概念，能够给 RS 设置权重，权重越高，那么分发的请求数越多，权重的取值范围 0 – 100。主要是对rr算法的一种优化和补充， LVS 会考虑每台服务器的性能，并给每台服务器添加要给权值，若是服务器A的权值为1，服务器B的权值为2，则调度到服务器B的请求会是服务器A的2倍。权值越高的服务器，处理的请求越多。

最少连接 lc

这个算法会根据后端 RS 的链接数来决定把请求分发给谁，好比 RS1 链接数比 RS2 链接数少，那么请求就优先发给 RS1

加权最少连接 wlc

这个算法比 lc 多了一个权重的概念。

基于局部性的最少链接调度算法 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 地址全部使用的服务器，若是这台服务器依然可用，而且有能力处理该请求，调度器会尽可能选择相同的服务器，不然会继续选择其它可行的服务器

复杂的基于局部性最少的链接算法 lblcr

记录的不是要给目标 IP 与一台服务器之间的链接记录，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太高。

目标地址散列调度算法 dh

该算法是根据目标 IP 地址经过散列函数将目标 IP 与服务器创建映射关系，出现服务器不可用或负载太高的状况下，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相似，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。

实践LVS的NAT模式

实验环境

三台服务器，一台做为 director，两台做为 real server，director 有一个外网网卡(172.16.254.200) 和一个内网ip(192.168.0.8)，两个 real server 上只有内网 ip (192.168.0.18) 和 (192.168.0.28)，而且须要把两个 real server 的内网网关设置为 director 的内网 ip(192.168.0.8)

安装和配置

两个 real server 上都安装 nginx 服务

# yum install -y nginx

 

Director 上安装 ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

Director 上编辑 nat 实现脚本

# vim /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

# 编辑写入以下内容：

#! /bin/bash

# director服务器上开启路由转发功能:

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

 #关闭 icmp 的重定向

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/default/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth0/send_redirects

echo 0 > /proc/sys/net/ipv4/conf/eth1/send_redirects

#director设置 nat 防火墙

iptables -t nat -F

iptables -t nat -X

iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -j MASQUERADE

# director设置 ipvsadm

IPVSADM='/sbin/ipvsadm'

$IPVSADM -C

$IPVSADM -A -t 172.16.254.200:80 -s wrr

$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.18:80 -m -w 1

$IPVSADM -a -t 172.16.254.200:80 -r 192.168.0.28:80 -m -w 1

保存后，在 Director 上直接运行这个脚本就能够完成 lvs/nat 的配置

/bin/bash /usr/local/sbin/lvs_nat.sh

查看ipvsadm设置的规则

ipvsadm -ln

测试LVS的效果

经过浏览器测试2台机器上的web内容 http://172.16.254.200 。为了区分开，咱们能够把 nginx 的默认页修改一下：

在 RS1 上执行

# echo "rs1rs1" >/usr/share/nginx/html/index.html

 

在 RS2 上执行

# echo "rs2rs2" >/usr/share/nginx/html/index.html

注意，切记必定要在两台 RS 上设置网关的 IP 为 director 的内网 IP。

实践LVS的DR模式

实验环境

三台机器：

Director节点：  (eth0 192.168.0.8  vip eth0:0 192.168.0.38)

Real server1： (eth0 192.168.0.18 vip lo:0 192.168.0.38)

Real server2： (eth0 192.168.0.28 vip lo:0 192.168.0.38)

安装

两个 real server 上都安装 nginx 服务

# yum install -y nginx

 

Director 上安装 ipvsadm

# yum install -y ipvsadm

Director 上配置脚本

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

#! /bin/bash

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

ipv=/sbin/ipvsadm

vip=192.168.0.38

rs1=192.168.0.18

rs2=192.168.0.28

ifconfig eth0:0 down

ifconfig eth0:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

route add -host $vip dev eth0:0

$ipv -C

$ipv -A -t $vip:80 -s wrr

$ipv -a -t $vip:80 -r $rs1:80 -g -w 3

$ipv -a -t $vip:80 -r $rs2:80 -g -w 1

执行脚本：

# bash /usr/local/sbin/lvs_dr.sh

在2台 rs 上配置脚本：

# vim /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

#! /bin/bash

vip=192.168.0.38

ifconfig lo:0 $vip broadcast $vip netmask 255.255.255.255 up

route add -host $vip lo:0

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_ignore

echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/lo/arp_announce

echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_ignore

echo "2" >/proc/sys/net/ipv4/conf/all/arp_announce

rs 上分别执行脚本：

bash /usr/local/sbin/lvs_dr_rs.sh

实验测试

测试方式同上，浏览器访问 http://192.168.0.38

注意：在 DR 模式下，2台 rs 节点的 gateway 不须要设置成 dir 节点的 IP 。

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